Вода и ее свойства

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Введение………………………………………………………………………..2

1.Распространение воды на планете  Земля…………………………………..3

2.Изотопный состав  воды……………………………………………………..4

3.Строение молекулы воды…………………………………………………...6

4.Физические свойства воды, их  аномальность……………………………..8

4.1.Аномалия плотности…………………………………………………….10

4.2.Переохлажденная вода…………………………………………………..11

4.3.Аномалия сжимаемости…………………………………………………11

4.4.Поверхностное натяжение………………………………………………12

4.5.Аномалия теплоемкости………………………………………………...13

5.Структура и формы льда………………………………………………….14

6.Структура  и перестройка  структуры воды……………………………...16

7.Диаграмма состояния воды……………………………………………….17

8.Объяснение аномалий……………………………………………………..20

9.Заключение…………………………………………………………………21

10.Литература………………………………………………………………...22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Наша земля отличается от других планет: она живая. И сейчас мы уже знаем почему-на  ней есть вода. Если резко сократить ее количество или изменить одно из ее удивительных свойств-жизнь на земле исчезнет.

Что такое вода? мы все это знаем. Это то самое вещество, на котором основана вся жизнь на Земле. Вода сопровождает каждое мгновение нашей жизни, но знаем ли мы, какую тайну хранит в себе эта стихия? Откуда она пришла? Кто и зачем одарил ею нашу  планету, единственную во всей вселенной. Быть может ответы на эти вопросы знает только сама вода, ведь сегодня ее столько же, сколько было тогда, когда все только начиналось, когда рождался мир, приобретая привычные для нас очертания и ощущения.

«Вода в священном писании, это больше чем физическая субстанция, это некое понятие, связанное с идеей жизни.»-патриарх всея Руси Кирилл.

«Во всем мире нет ничего более мягкого и податливого, чем вода, но она точит твердое и крепкое. Никто не может ее одолеть, хотя любой может ее победить. Податливое побеждает крепкое, мягкое одолевает твердое. Все это знают, но никто не осмеливается действовать»- так говорил о воде Лао-Цзы.

Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки  зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй, только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкого гелия (такие, как сверхтекучесть) проявляются при очень низких температурах (вблизи абсолютного нуля) и обусловлены специфическими квантовыми законами. Поэтому жидкий гелий - это экзотическое вещество. Вода же в нашем сознании является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, что трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков – «тела не действуют, пока не растворены» – в значительной степени справедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду,  образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся  в горбу, может путем окисления дать 40 л воды. Вода обладает физическими и химическими свойствами, но ни один ученый не может объяснить, почему плотность воды при минусовой температуре увеличивается, а при плюсовой уменьшается. Это уникальное свойство люди научились использовать еще несколько тысячелетий назад. Северные народы добывали камень для строительства , заливая  воду перед заморозками в расщелины скал. На юге деревянные клинья вбивали в трещины породы и поливали водой. Разбухая эти клинья разрывали камень. Гораздо позже ученые установили, что находясь в порах и капиллярах, вода способна создавать огромное давление. В земле например в момент прорастания оно может достигать 400 атмосфер. Вот почему росток с легкостью пробивает асфальт. Любое из свойств воды уникально. До сих пор не установлено почему только вода может находиться в трех состояниях :жидком,твердом,газообразном. Почему только у жидкости самое твердое поверхностное натяжение. Почему она является самым мощным растворителем на земле, и каким образом вода может пробираться вверх по стволам деревьев,преодолевая давление в несколько тысяч десятков атмосфер.

Связь между водой  и жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную  водную систему... как особое царство  природных вод». Вода – вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов свою научно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”. А доктор биологических наук  Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученые правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует  другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

В своей работе я постаралась  сфокусироваться на понятии воды, но посмотреть на него под разными углами. Мне стало интересно узнать какими свойствами вода обладет, как эти свойства  помогают нам в жизни. И все ли мы знаем о том, что такое вода?

 

 

 

1.РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ

 

Молекула воды является наиболее распространённым веществом  на планете и, встречающимся на ней  в жидком, газообразном и твёрдом  состоянии. Вода – жидкость без вкуса, запаха и цвета, плотность 1,0 г/ см³. Гидросфера занимает 71% поверхности земного шара. Рождается из элементов, занимающих первое и третье место по распространенности во вселенной, в объёмном соотношении 2:1. Это одна из самых маленьких молекул нам известных. Уже много веков учёные изучают воду. Времени было достаточно, казалось о воде должно было быть всё известно, но не тут то было. 
Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 Дебай.

Изо льда состоят огромные горные ледники, им покрыты и некоторые  материки. Лёд хранит в себе огромные запасы пресной воды. Лёд твёрдый, а течёт как жидкость. Образуя огромные реки, медленно стекающие с гор. Лёд необычайно прочен и долговечен. Он может десятки тысяч лет хранить в себе скелеты животных, погибших в ледниках. Улавливая солнечное излучение, вода помогает поддерживать температуру на земле в комфортном диапазоне. Мощные морские течения разносят огромные объёмы воды по всей планете, в частности не дают мерзнуть европейцам омывая Европу Гольфстримом. И, наконец, вода обеспечивает жизнедеятельность всех организмов: она переносит питательные вещества, собирает и выводит отходы. 
 

2.ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

 

Атомы водорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга  своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами. Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (⁴H, ⁵H, ¹⁴O и ¹⁵O) радиоактивны и очень короткоживущие. Например, длительность существования водорода – 4 —4*10^-11  сек.  Наиболее широко известны следующие изотопы водорода: протий  ¹H ( с относительной атомной массой 1), дейтерий  ²H, или D ( c относительной атомной массой 2) и тритий  ³H, или T ( c относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водород ( его период полураспада 12,3 года), и изотопы кислорода:  ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O. Эти шесть изотопов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: ¹Н₂¹⁶О; ¹НD¹⁶О; D₂¹⁶О ; ¹НT¹⁶О; DT¹⁶О; T₂О¹⁶; ¹Н₂¹⁷О; ¹НD¹⁷О; D₂¹⁷О; ¹НT¹⁷О; DT¹⁷О; T₂¹⁷О; ¹Н₂¹⁸О; ¹НD¹⁸О; D₂¹⁸О; ¹НT¹⁸О; DT¹⁸О; T₂¹⁸О.

На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия.

3.СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ  ВОДЫ

 

Молекула воды состоит  из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания.

 

   

Хорошо изучено и  измерено расположение ядер атомов водорода и кислоро-да и расстояние между  ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть “сбоку”, можно было бы изобразить вот так:

 

 а если взглянуть  “сверху” – со стороны атома  кислорода, то так:

т.е геометрически  взаимное расположение зарядов в  молекуле воды можно изобразить в  виде простого тетраэдра.

 

    Такое строение ведет  к возникновению необычайно сильного  взаимного притяжения молекул  воды друг к другу: каждая  молекула воды может обра-зовать  четыре одинаковые водородные  связи с другими молекулами  воды.    

    Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

 

 В молекуле воды  имеются четыре полюса зарядов:  два отрицательных за счет  избытка электронной плотности  у кислородных пар электронов  и два положительных - вследствие  недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай

Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

Помогая" контактирующим с ней молекулам разлагаться  на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными  при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. Вода химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5 С .         

 

 

 

 

 

Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких  элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону  от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних     молекул.Такая химическая связь называется  в о д о р о д н о й. Она обьединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В водяном паре присутствует около 1%  димеров воды. Расстояние между атомами кислорода – 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две – как донор протонов и две – как акцептор протонов. Средняя длина этих связей – 0, 28 нм, угол  Н – О – Н  стремится к 180⁰. Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Структура модификаций льда представляет собой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, так называемый лёд – I , связи Н – О – Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но при высоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые  лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллические формы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII  и лёд – VIII. Лёд – VII получен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 190⁰ C . В модификациях – лёд – II  -  лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда. Только в модификациях лёд – VII  и лёд – VIII  достигается самая высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставлены одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной + 3,98⁰ С. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей.

Искривление водородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт к возрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместное действие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре + 3, 98⁰

 

 

 

 

 

 

 

4.ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  ВОДЫ,ИХ АНОМАЛЬНОСТЬ

 

Чистая вода представляет собой бесцветную  без вкуса запаха прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всех  других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному  веществу на нашей планете, которое  в обычных условиях температуры  и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

 

Ещё один вид воды, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, - это омагниченная вода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химические свойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется на водопроводных станциях  при большой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненные промышленные стоки.