Реферат: Вода и её свойства

ГЛАВНЫЙ СОСТАВИТЕЛЬРЕФЕРАТА

ПЕТРУНИНА

АЛЛА

БОРИСОВНА

МУНИЦИПАЛЬНАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ

СРЕДНЯЯ ШКОЛА №4

РЕФЕРАТ

по химии на тему:

“Вода и еёсвойства”

Выполнила:

ученица 11”Б” класса

Петрунина Елена

ПЕНЗА 2001г.

Вода –вещество привычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петряновсвою научно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество вмире”. А доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашупланету”.

Ученые правы:нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то жевремя не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было быстолько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Почти ¾поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом ильдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд.386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубическихкилометров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической водыхватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. Накаждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километровморской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том,что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии,которое делает её труднодоступной длячеловека. Почти 70% пресных вод заключено вледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% — в водоносныхслоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006%пресных вод.

Молекулыводы обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет,большинства планет солнечной системы и их спутников.

Изотопныйсостав. Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержаниеих в пресной воде в среднем следующее: 1Н216О– 99,73%, 1Н218О – 0,2%,

1Н217О– 0,04%, 1H2Н16О – 0,03%. Остальные пятьизотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожно малых количествах.

Строениемолекулы. Как известно, свойства химических соединений зависят от того, изкаких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можнорассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода икислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника сдлиной связи О – Н 0,957 нм; валентный угол Н – О – Н 104o 27’.

/> <td/>

1040 27'

/> /> /> /> /> /> <td/> /> />

Но поскольку обаводородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрическиезаряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причинойособого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекулеводы, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомовкислорода соседних молекул.Такая химическая связь называется в о д о ро д н о й. Она обьединяет молекулы воды в своеобразные полимерыпространственного строения. В водяном паре присутствует около 1% димеров воды.Расстояние между атомами кислорода – 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждаямолекула 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 молекулыводы направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Структура модификаций льда представляетсобой трёхмерную сетку. В модификациях, существующих при низких давлениях, такназываемый лёд – I, связи Н – О –Н почти прямолинейны и направлены к вершинам правильного тетраэдра. Но привысоких давлениях обычный лёд можно превратить в так называемые лёд – II, лёд – III так далее – более тяжёлые и плотные кристаллическиеформы этого вещества. Самые твёрдые, плотные и тугоплавкие пока – лёд – VII и лёд – VIII. Лёд – VIIполучен под давлением 3 млрд Па, он плавится при температуре + 1900 C. Вмодификациях – лёд – II - лёд – VI – с вязи Н – О – Н искривлены и углымежду ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличениеплотности 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 сохраняетсясистема прямолинейных водородных связей.

Трёхмерная сеткаводородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде вовсём интервале от температуры плавления до критической температуры, равной +3,980С. Увеличение плотности приплавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлениемводородных связей.

Искривлениеводородных связей увеличивается с ростом температуры и давления, что ведёт квозрастанию плотности. С другой стороны при нагревании средняя длина водородныхсвязей становится больше, в результате чего плотность уменьщается. Совместноедействие двух фактов объясняет наличие максимума плотности воды при температуре+ 3, 980С.

Физические свойства воды аномальны, что объясняетсяприведёнными выше данными о взаимодействии между молекулами воды.

Вода – единственное вещество наЗемле, которое существует в природе во всех трёх агрегатных состояниях –жидком, твёрдом и газообразном.

Плавление льда приатмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%. Плотность жидкойводы при температуре, близкой к нулю, больше, чем у льда. При 00С 1 грамм льда занимает объём 1,0905кубических сантиметров, а 1 грамм жидкой воды занимает объём 1,0001 кубическихсантиметров. И лёд плавает, оттого и не промерзают обычно насквозь водоёмы, алишь покрываются ледяным покровом.

Температурныйкоэффициент объёмного расширения льда и жидкой воды отрицателен притемпературах соответственно ниже — 2100С и + 3,980С.

Теплоёмкость приплавлении возрастает почти вдвое и в интервале от 00С до 1000С почти не зависит от температуры.

Вода имеетнезакономерно высокие температуры плавления и кипения в сравнении с другимиводородными соединениями элементов главной подгруппы VI группы таблицы Менделеева.

теллуроводород селеноводородсероводород вода

Н2Те Н2Sе Н2S Н2О

_____________________________________________________

t плавления — 510С - 640С — 820С 00С

_____________________________________________________

t кипения — 40С — 420С — 610С 1000С

_____________________________________________________

Нужно подвестидополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. Иэнергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.Благодаря этой особенности вода формирует климат планеты. Геофизики утверждают,что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы невода. Нагреваясь, она поглощает тепло, остывая, отдаёт его. Земная вода ипоглощает, и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат.Особенно заметно на формирование климата материков влияют морские течения,образующие в каждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример –влияние Гольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуостроваФлорида в Северной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстримусредняя температура января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом,такая же, как в степной части Крыма, — около 00С, т. е. повышенана 15 – 200С. А в Якутии на той же широте, но вдали от Гольфстрима– минус 400С. А от космического холода предохраняют Землю темолекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Водянойпар создаёт мощный “парниковый эффект”, который задерживает до 60% тепловогоизлучения нашей планеты, не даёт ей охлаждаться. По расчётам М.И.Будыко, приуменьшении содержания водяного пара в атмосфере вдвое средняя температураповерхности Земли понизилась бы более чем на 50С (с 14,3 до 90С). На смягчение земного климата, в частности на выравнивание температурывоздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказываютогромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды.

Но не только поэтому мысчитаем воду жизненно важным веществом. Дело в том, что тело человека почти на63 – 68 % состоит из воды. Почти все биохимические реакции в каждой живойклетке – это реакции в водных растворах. С водой удаляются из нашего телаядовитые шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряющаяся с поверхностикожи, регулирует температуру нашего тела. Представители животного ирастительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньшевсего воды, лишь 5 – 7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинствообитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды.Например, млекопитающие содержат 60 – 68 %; рыбы – 70 %; водоросли – 90 – 98 %воды.

Врастворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологическихпроцессов на предприятиях химической промышленности, в производствелекарственных препаратов и пищевых продуктов.

Неслучайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощьюрастворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности.

Вода – это важныйисточник энергоресурсов. Как известно, все гидроэлектрические станции мира, отмаленьких до самых крупных, превращают механическую энергию водного потока вэлектрическую исключительно с помощью водяных турбин с соединёнными с нимиэлектрогенераторами. На атомных электростанциях атомный реактор нагреваетводу, водяной пар вращает турбину с генератором и вырабатывает электрическийток.

Вода, несмотря на все еёаномольные свойства, является эталоном для измерения темпкратуры, массы (веса), количества тепла, высоты местности.

Шведский физик АндерсЦельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 году стоградуснуюшкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Точкакипения воды обозначена 100, а точка таяния льда 0 .

Приразработке метрической системы, установленной по декрету французскогореволюционного правительства в 1793 году взамен различных старинных мер, водабыла использована для создания основной меры массы (веса) – килограмма играмма: 1 грамм, как известно, это вес 1 кубического сантиметра (милилитра)чистой воды при температуре её наибольшей плотности – 40 С.Следовательно, 1 килограмм – это вес 1 литра (1000 кубических сантиметров) или 1 кубического дециметра воды: а 1 тонна (1000 килограммов) – это вес 1кубического метра воды.

Водаиспользуется и для измерения количества тепла. Одна калория – это количествотепла, нужное для нагревания 1 грамма воды с 14, 5 до 15,50С.

Все высотыи глубины на земном шаре отсчитываются от уровняморя.

В 1932 году американцы Г.Юри иЭ.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можнополучить в лабораторных условиях, содержится незначительное количество какого-товещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2О, но обладающего молекулярным весом20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлойводой. Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят изатомов водорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычноговодорода. Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что ихядра содержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычноговодорода, ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия

(D или 2Н), а обычныйводород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражаетсяформулой D2О.

Вскоре был открыттретий, сверхтяжёлый изотоп водорода с одним протоном и двумя нейтронами вядре, который был назван тритием (Т или 3Н). В соединении с кислородом тритий образуетсверхтяжёлую воду Т2Ос молекулярным весом 22.

В природных водахсодержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая вода внешне похожа наобычную воду, но по многим физическим свойствам отличается от неё. Точкакипения тяжёлой воды 101,40С, точка замерзания + 3,80С. Тяжёлая вода на 11% тяжелее обычной. Удельный вес тяжёлой воды притемпературе 250С равен 1,1. Она хуже ( на 5 – 15% ) растворяет различные соли. Втяжёлой воде скорость протекания некоторых химических реакций иная, чем вобычной воде.

И в физиологическомотношении тяжёлая вода воздействует на живое вещество иначе: в отличие отобычной воды, обладающей живительной силой, тяжёлая вода совершенно инертна.Семена растений, если их поливать тяжёлой водой, не прорастают; головастики,микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могут существовать; если животных поитьодной тяжёлой водой, они погибнут от жажды. Тяжёлая вода – это мёртвая вода.

Имеется ещё один видводы, отличающийся по физическим свойствам от обычной воды, — это омагниченнаявода. Такую воду получают с помощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, покоторому течет вода. Омагниченная вода изменяет свои физико – химическиесвойства: скорость химических реакций в ней увеличивается, ускоряетсякристаллизация растворённых веществ, увеличивается слипание твёрдых частицпримесей и выпадение их в осадок с образованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешноприменяется на водопроводных станциях прибольшой мутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждатьзагрязненные промышленные стоки.

Из химическихсвойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать(распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химическойприроды.

Роль воды какглавного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью еёмолекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрическойпроницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы,притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы ввоздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого вводу тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легчеразбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многихтруднорастворимых веществ:капля камень точит.

Лишь незначительнаядоля молекул (одна из 500 000 000) подвергается электролитической диссоциации по схеме:

/> <td/> />
Н2О Н+ + ОН-

Однако, приведённоеуравнение условное: не можетсуществовать в водной среде лишённый электронной оболочки протон Н+. Он сразу соединяется с молекулойводы, образуя ион гидроксония Н3О+,который в свою очередь объединяется с одной, двумя или тремя молекулами воды в

Н3О+, Н5О2+, Н7О3+.

Электролитическаядиссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований.Степень электролитической диссоциации заметно возрастает при повышениитемпературы.

Образование воды изэлементов по реакции:

/> <td/> />
Н2 + 1/2 О2 Н2О -242 кДж/моль для пара

-286 кДж/моль для жидкой воды

-при низких температурах в отсутствиикатализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастаетпри повышении температуры, и при 5500С она происходит со взрывом. При понижении давления иповышении температуры равновесие сдвигается влево.

Под действиемультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН- .

Ионизирующееизлучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2; Н2О2 и свободных радикалов: Н*; ОН* ; О* .

Вода –реакционноспособное соединение.

Вода окисляется атомарным кислородом:

/> <td/> />
Н2О + О Н2О2

При взаимодействии с F2 образуется НF, а также О2; О3; Н2О2; F2О и другие соединения.

С остальнымигалогенами при низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот НГал и Н Гал О.

При обычных условияхс водой взаимодействует до половины растворённого в ней СI2 и значительно меньшие количества Br2 и J 2 .

При повышенныхтемпературах СI2 и Br2 разлагают воду с образованием Н Гал и О2 .

При пропускании паров воды черезраскалённый уголь она разлагается и образуется так называемый водяной газ:

/> <td/> />
Н2О + С СО + Н2

При повышеннойтемпературе в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например:

/> <td/> />
Н2О + СО СО2 + Н2/> <td/> />
Н2О + СН4 СО + 3Н2

Эти реакциииспользуют для промышленного получения водорода.

Фосфор при нагреваниис водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорнуюкислоту:

/> <td/> />
6Н2О + 3Р 2НРО3 + 5Н2

Вода взаимодействуетсо многими металлами с образованием Н2 и сответствующего гидроксида. Со щелочными ищелочно-земельными металлами ( кроме Мg ) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активныеметаллы разлагают воду при повышенной температуре, например, Мg и Zn – выше 1000С; Fe –выше 6000С :

/> <td/> />
2Fe + 3H2O Fe2O 3 + 3H2

При взаимодействии сводой многих оксидов образуются кислоты или основания.

Вода может служитькатализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только в присутствии следов воды.

Иногда вода –каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.

Способность молекулводы образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать синертными газами, углеводородами, СО2, CI2, (CH2)2O, CHCI3 и многими другими веществамигазовые гидраты.

Примерно до конца 19века вода считалась бесплатным неистощимым даром природы. Её не хватало тольков слабонаселённых районах пустынь. В 20 веке взгляд на воду резко изменился. Врезультате быстрого роста населения земного шара и бурного развития промышленностипроблема снабжения человечества чистой пресной водой стала чуть ли не мировойпроблемой номер один. В настоящее время люди используют ежегодно около 3000млрд кубических метров воды, и эта цифра непрерывно быстро растёт. Во многихгустонаселённых промышленных районах чистой воды уже не хватает.

Недостаток преснойводы на земном шаре можно восполнить различными путями: опреснять морскуюводу, а также заменять ею, где это возможно в технике, пресную воду; очищатьсточные воды до такой степени, чтобы их можно было спокойно спускать в водоёмыи водотоки, не боясь загрязнить, и использовать вторично; экономно расходоватьпресную воду, создавая менее водоёмкую технологию производства, заменяя, гдеэто можно, пресную воду высокого качества водой более низкого качества и т.д.

В О Д А - о д но и з г л а в н ы х б о г а т с т в ч е л о в е ч е с т в а на З е м л е .

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы :

1. Химическая энциклопедия. Том 1. РедакторИ.Л.Кнунянц. Москва, 1988 год.

2. Энциклопедический словарь юного химика. Составители

В.А.Крицман, В.В.Станцо. Москва, “ Педагогика“, 1982 год.

3. Слово о воде. АвторО.А.Спенглер. Ленинград,

“ Гидрометеоиздат “, 1980 год.

4. Самоенеобыкновенное вещество в мире. Автор

И.В.Петрянов.Москва, “ Педагогика “ ,1975 год.

П Л А Н .I.Вступление. Высказывания известных учёных о воде.

II.Основная часть.

1.Распространение воды напланете Земля, в космическом