Реферат: Необычные свойства обычной воды
Содержание
Введение
1.Распространение воды напланете Земля .
2.Изотопный состав воды.
3.Строение молекулы воды.
4.Физические свойства воды,их аномальность.
4.1.Аномалия плотности.
4.2.Переохлажденная вода.
4.3.Аномалия сжимаемости.
4.4.Поверхностноенатяжение.
4.5.Аномалия теплоемкости.
5.Структура и формы льда.
6.Структура и перестройкаструктуры воды.
7.Диаграмма состояния воды.
8.Заключение.
9.Литература.
Введение
Водав нашей жизни — самое обычное и самое распространенное вещество. Однако снаучной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость. Пожалуй,только жидкий гелий может соперничать с ней. Но необычные свойства жидкогогелия (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 сознанииявляется прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называемее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Дело в том, чтотрудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то естьее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и другихфакторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства другихжидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общихфизических принципов. К таким обычным, нормальным жидкостям относятся,например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключениемгелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).Вода имеет первостепенное значение прибольшинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положениеалхимиков – «тела не действуют, пока не растворены» – в значительной степенисправедливо. Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную(«ювенильную») воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктови самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся в горбу, может путемокисления дать 40 л воды. Связь между водой и жизнью столь велика, что дажепозволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальнуюводную систему… как особое царство природных вод». Вода – веществопривычное и необычное. Известный советский ученый академик И.В.Петрянов своюнаучно – популярную книгу о воде назвал “Самое необыкновенное вещество в мире”.А доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательнаяфизиология” с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”. Ученыеправы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и вто же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которогобыло бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.
1.Распространение воды на планетеЗемля.
Почти¾ поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой –снегом и льдом – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного1 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 для человека. Почти 70% пресных вод заключенов ледниковых 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.
Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в составкомет, большинства планет солнечной системы и их спутников.
2.Изотопный состав воды.
Атомыводорода и кислорода, образующие воду, или окись водорода, могут иметьразличные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическимисвойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер ипоэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Такиеразновидности атомов одного и того же химического элемента называютсяизотопами. Известны пять водородов и пять кислородов. Правда, по два из них (4H, 5H, 14O и 15O) радиоактивны и очень короткоживущи. Например,длительность существования водорода –4—4*10-11 сек. Наиболее широкоизвестны 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, нослаборадиоактивный водород ( его период полураспада 12,3 года), и изотопыкислорода: 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 вмежзвездочном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомовпротия.3.Строение молекулы воды.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одногоатома кислорода (О). Все многообразие свойств воды и необычность их проявленияв конечном счете определяются физической природой этих атомов и способом ихобъединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислородарасположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренныйтреугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкимиядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: дваотрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных парэлектронов и два положительных — вследствие недостатка электронной плотности уядер водорода — протонов. Такая ассиметричность распределения электрическихзарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она являетсядиполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай
Благодаряэтому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Подвоздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные имежмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемостьиз всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способностьбыть универсальным растворителем.
Помогая"контактирующим с ней молекулам разлагаться на ионы (например, солям кислот),сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул водыдиссоциированными при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протонне сохраняется в свободномсостоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. (Гидроксоний (Н3О+) — этогидратированный ион водорода; существует в водных растворах кислот)
Водахимически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые онарастворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, чтоважно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканямпитательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивомвиде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структурепамять о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаютсяпротивоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи междуядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электроннуюнедостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению ккислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облакапозволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы,которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой моделиуглы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны109,5 С .
/>
Водородныесвязи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода иводорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостейпозволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или частимолекул других веществ, способствуя их растворению.
Сравнивая воду — гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну скислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало быожидать, что вода должна кипеть при — 70 оС, а замерзать при — 90 оС.Но в обычных условиях вода замерзает при Такое резкое отклонение отустановленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода являетсяассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокойтеплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100оС, требуется в шестеро больше тепла, чем для нагрева такого жеколичества воды от 0 до 80 оС. Благодаря этому вода являетсямощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами,она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Водавыступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большойтеплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37 оСтеплоемкость ее падает и только после 37 оС начинает повышаться.Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 — 39 оС — нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизньтеплокровных животных, в том числе и человека. 0 оС и закипает при100 оС.
4.Физические свойства воды, их аномальность.
Чистая вода представляет собой бесцветную без вкуса запаха прозрачную жидкость.Плотность воды при переходе ее из твердогосостояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, авозрастает.
Как хорошо известно, вода принята за образец меры –эталон для всех других веществ. Казалось бы, за эталон для физических константследовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным,обычным образом. А получилось как раз наоборот.
И первое, самое поразительное, свойство водызаключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашейпланете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться втрех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком игазообразном (невидимый глазу пар).
4.1.Аномалия плотности.
Всем известна аномалия плотности. Она двоякая. Во-первых, после таяния льдаплотность увеличивается, проходит через максимум при 4оС и только затемуменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегдауменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем большетепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя кбольшей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температурыувеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней кпонижению плотности только при высоких температурах.
Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотностильда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой невымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкостиоказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическоеобъяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладаютпространственной периодичностью — это свойство кристаллов всех веществ. Но уобычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. Послеплавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и этовозможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычносопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотностиочень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 — 4%. Аплотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотностипри плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.
4.2.Переохлажденная вода.
Впоследнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды,то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0оС. (Переохладитьводу можно либо в тонких капиллярах, либо — еще лучше — в виде эмульсии:маленьких капелек в неполярной среде — «масле»). Что же происходит саномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С однойстороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то естьпервая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается кплотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).
4.3.Аномалия сжимаемости.
Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости,то есть степени уменьшения объема при увеличении давления . Обычно сжимаемостьжидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы(имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальноеповедение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себяпротивоположным образом, в результате чего в ее температурном поведениипоявляется минимум при 45оС.
На этих двух примерах мы видим, что необычные свойства воды характеризуютсяэкстремальным поведением, то есть появлением максимумов (как в плотности) илиминимумов (как в сжимаемости) на кривых их зависимостей от температуры. Такиеэкстремальные зависимости означают, что в воде имеет место противоборство двухпроцессов, каждый из которых обусловливает противоположное поведениерассматриваемого свойства. Один процесс — это обычное тепловое движение,усиливающееся с ростом температуры и делающее воду (как и любую другуюжидкость) более раз упорядоченной; другой процесс необычный, присущий тольководе, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах.Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтомуположение экстремума наблюдается для каждого свойства при своейтемпературе.
4.4.Поверхностное натяжение
Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно — ееисключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20o С).Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Онопроявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить своюповерхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится вданный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности.Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться,создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутымии разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разнойстепени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелееводы, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальнаяиголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не толькопередвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердуюопору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннююсторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью несмачиваемых щетинок, а маленькие улитки — прудовики и катушки — ползают по нейв поисках добычи.
Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную формупри свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая формаимеет минимальную для данного объема поверхность. Струя химически чистой водысечением 1 см2 по прочности на разрыв не уступает стали того жесечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения.Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическимзакономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникаютструктурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурированиераспространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотенмолекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишьмономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности). Особенностиструктурирования воды в капиллярных системах позволяют с определеннымоснованием говорить о капиллярном состоянии воды. В природных условиях этосостояние можно наблюдать у так называемой поровой воды. В виде тончайшейпленки она устилает поверхность полостей, пор, трещин пород и минералов земнойкоры. Развитые межмолекулярные контакты с поверхностью твердых тел, особенностиструктурной упорядоченности, вероятно, и являются причиной того, что пороваявода замерзает при более низкой температуре, чем обычная — свободная — вода.Исследования показали, что при замерзании связанной воды проявляются не толькоизменения ее свойств, — иными становятся и свойства тех горных пород, скоторыми она непосредственно соприкасается.
4.5.Аномалия теплоемкости.
Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей надругие жидкости? Чтобы уяснить его физическую сущность, рассмотрим еще одну, намой взгляд, самую сильную аномалию воды — температурное поведение еетеплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужнозатратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Дляподавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристаллаувеличивается незначительно — никак не более 10%. Другое дело — вода. Приплавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть вдва раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ниу одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энергия,подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скоростимолекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываютсякакие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимоетепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такаяизбыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессысуществуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидкомсостоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойствомименно жидкого состояния воды. Теплоемкость воды аномальна не только по своемузначению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причемхарактер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: онаснижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37o С,а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значениеудельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79o С, аведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температурапочти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.Присильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вкладв нее еще больше увеличивается. Переохлажденная вода еще более аномальна, чемобычная.
5.Структура и формы льда.
Вода при охлаждении в нормальных условиях ниже 0о Скристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10%больше объема исходной воды. Охлаждаясь, вода ведет себя как многие другиесоединения: понемногу уплотняется-уменьшает свой удельный объем. Но при 4 оС( точнее, при 3,98 оС) наступает кризисное состояние: при дальнейшемпонижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. С этогомомента начинается упорядочение взаимного расположения молекул, складываетсяхарактерная для льда гексагональная кристаллическая структура. Каждая молекулав структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими. Это приводитк тому, что в фазе льда образуется ажурная конструкция с " каналами"между фиксированными молекулами воды. В водных растворах некоторых органическихвеществ вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекулсвоеобразные зоны «жидкого льда», имеющие кубическую структуру,которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной. Появлениетакого льда вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. Припоявлении льда разрушаются связи не только дальнего, но и ближнего порядка.Так, при 0 о С 9- 15% молекул Н2О утрачивают связи ссоединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул и онипогружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этимобъясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотностьобразующейся воды. При переходе " лед-вода" плотность возрастаетпримерно на 10%, и можно считать, что эта величина определенным образомхарактеризует количество молекул Н2О, попавших в полости.
В твердой воде(лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородныхсвязей с соседними молекулами воды согласно схеме,в которой водородные связи показаны пунктиром
/> />
Образование водородныхсвязей приводит к такому расположению молекул воды, прикотором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами.Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами,принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотнымструктурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, вней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы />.
Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней молекулыупакованы рыхло. Если изобразить молекулу шаром, то при плотневшей упаковкешаров вокруг каждого из них будет 12 соседей. Во льду же их всего четыре. Еслибы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы2,0 г/см3, тогда как на самом деле она равна 0,92 г/см3. Казалось бы, рыхлостьупаковки частиц, то есть наличие в ней больших объемов не заполненногомолекулами пространства, должна приводить к неустойчивости структуры. Например,можно было бы ожидать, что при сжатии льда внешним давлением сетка водородныхсвязей будет разрушаться, пустоты структуры будут с легкостью схлопываться,заполняясь молекулами, вырванными из этой сетки. Но не тут-то было! На самомделе сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается. При повышениидавления обычный гексагональный лед меняет свою структуру.
Сейчас известно десять форм льда, устойчивых при высоких давлениях. И у всехсохраняется четырежды координированная сетка водородных связей, то есть каждаямолекула воды сохраняет в них все свои четыре водородные связи.
I – обычный лед, существующий при давлении до 2200атм., при дальнейшем увеличении давления переходит в II;
II – лед с уменьшением объема на 18%,тонет в воде, очень неустойчив и легко переходит в III;
III – также тяжелее воды и можетнепосредственно быть получен из льда I;
IV – легче воды, существует принебольших давлениях и температуре немного ниже 0° С,неустойчив и легко переходит в лед I;
V – может существовать при давлениях от 3600 до 6300атм., он плотнее льда III, при повышении давления с треском мгновеннопревращается в лед VI;
VI – плотнее льдаV, при давлении около 21 000 атм. имеет температуру+76° С; может быть получен непосредственно воды притемпературе +60° С и давлении 16 500 атм.
Структуральда, у которой все углы между соседними водородными связями равнытетраэдрическому углу , обладает минимальной плотностью (наибольшейрыхлостью), возможной для четырежды координированных сеток. При деформациитакой сетки плотность
неизбежноувеличивается, так что, например, для льда III она составляет 1,15 г/см3, тоесть на 25% больше, чем во льду.
Итак, при внешних воздействиях (повышении давления) сетка водородных связей вольду не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную координацию.Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранитьих все, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. В этойудивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сетокводородных связей между молекулами воды.
6.Структура и перестройка структуры воды.
Теперьлегко представить себе, что происходит при плавлении льда. Сетка водородныхсвязей и здесь не должна разрушаться, но кристаллический порядок долженисчезнуть. Это означает, что каждая молекула воды и в жидком состоянии должнасохранить свои четыре водородные связи, но углы между ними будут отличаться отqТ, что и приводит к повышению ее плотности по сравнению со льдом Ih. Чем жеотличается структура сетки водородных связей в жидкой воде от структур сеток вформах льда, стабильных при высоких давлениях? Отсутствием пространственнойпериодичности. В отличие от льда в водной сетке невозможно выделить участки вразных ее местах, которые были бы тождественны по структуре. Сетка в водеслучайная. В ней углы между связями отклоняются от qТ не по какому-тоопределенному закону, как в кристаллах, а случайно. В кристалле вокруг каждоймолекулы соседние частицы расположены одинаково, в жидкости же окружение каждоймолекулы устроено особым (но случайным) образом. По этой причине структуруслучайной сетки невозможно установить рентгеноструктурным анализом, которыйвскрывает закономерности только единообразно окруженных частиц.
Значит, молекулярную структуру воды, то есть конкретноеположение всех ее молекул, невозможно определить экспериментально. Здесь нужноиспользовать другие методы исследования и прежде всего моделирование. Припомощи компьютера можно моделировать движения не очень большого ансамбля частиц(около тысячи) и получать информацию о положении каждой молекулы, если сделатьопределенные (модельные) предположения о законах их взаимодействия. Этойувлекательной задачей занимаются сейчас ученые во всем мире. Все исследователисогласны в том, что основой структуры является сетка водородных связей,охватывающая все молекулы воды; разногласия касаются в основном устройства этойсетки.
Итак, наиболее реалистической картиной структуры водыявляется случайная четырежды координированная сетка водородных связей. Такаяобщая идея вполне достаточна для нашего обсуждения. Как объяснить с этой точкизрения аномалии воды? Всякие изменения сетки при внешних воздействиях могутбыть: 1) без изменения структуры (например, изменения длин связей); 2) сизменением структуры сетки (без изменения длин связей). Удлинение всех связейпри увеличении температуры относится к изменениям первого рода и является общимдля всех веществ, включая воду. Но в воде существенную роль играет и второйфактор. При низких температурах структура более упорядочена, то есть углы междуводородными связями в сетке в меньшей степени отклоняются от тетраэдрическогоугла qТ, поэтому она более ажурна (более рыхла, имеет меньшую плотность) и еетруднее деформировать. При изменении температуры сетка перестраивается, меняетсвою структуру. Это нужно понимать не только как изменение углов между связями,но и как изменение характера связности узлов сетки (молекул): например,изменение количества колец разного типа, аналогичное тому, что происходит припереходе от льда Ih ко льду III. Но если при низких температурах, вкристаллической фазе структура каждой из десяти форм льда оставалась неизменнойв конечном интервале температур и перестройка сетки происходила при переходе отодной дискретной формы к другой, то в жидкости структура сетки водородныхсвязей перестраивается при изменении температуры непрерывно.
7.Диаграмма состояния воды.
Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма)представляет собой графическое изображение зависимости между величинами,характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переходиз твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммысостояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычноиспользуются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращенийот температуры и давления, они называются диаграммами состояния в координатах Р—Т.
/>
Нарисунке приведена в схематической форме диаграмма состояния воды. Любой точкена диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которыетермодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления.Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры идавления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.
/>
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем скривой ОА, отделяющей область пара от области жидкого состояния.Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введенонекоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе отгазов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении.Через некоторое время часть воды испарится, и над ее поверхностью будетнаходиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, чтооно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Еслиувеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара,то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различныхтемпературах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара оттемпературы. Кривая ОА представляет собой график этой зависимости:точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкаявода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом — сосуществуют. Кривая ОАназывается кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблицеприведены значения давления насыщенного водяного пара при несколькихтемпературах.
Температура Давление насыщенного пара Температура Давление насыщенного пара кПа мм рт. ст. кПа мм рт. ст. 0,61 4,6 50 12,3 92,510 1,23 9,2 60 19,9 149 20 2,34 17,5 70 31,2 234 30 4,24 31,8 80 47.4 355 40 7,37 55,3 100 101,3 760
Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного,например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимемего. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскореравновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды идавление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся водаиспарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное. Отсюдаследует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее кривой ОА,отвечает область пара. Если пытаться создатьдавление, превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршеньдо поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левеекривой ОА, отвечает область жидкого состояния.
До каких пор простираются влево области жидкого ипарообразного состояния? Наметим по одной точке в обеих областях ибудемдвигаться от них горизонтально влево. Этому движению точек на диаграммеотвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, чтоесли охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°Свода начнет замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем ккривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая —кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления,—показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкаявода находятся в равновесии.
Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнеючасти диаграммы), аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—криваяравновесия твердое состояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают тепары значений температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед иводяной пар.
Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки—этоединственная пара значений температуры и давления,. при которых в равновесиимогут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройнойточки.
Кривая плавления исследована до весьма высокихдавлений, В этой области обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме непоказаны).
Справа кривая кипения оканчивается в критическойточке. При температуре, отвечающей этой точке,—критической температуре—величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми,так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает.
Существование критической температуры установил в1860 г. Д. И. Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что притемпературах, лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидкомсостоянии. В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичномувыводу.
Критические температура и давление для различныхвеществ различны. Так, для водорода /> = —239,9°Ñ, />= 1,30 МПа, для хлора />=144°С, />=7,71 МПа, для воды />= 374,2 °С, />=22,12 МПа.
Одной из особенностей воды, отличающих ее от другихвеществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Этообстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС надиаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех другихвеществ она идет вверх вправо.
Превращения, происходящие с водой при атмосферномдавлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными нагоризонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда иликристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды—точке Е, нагревание илиохлаждение воды — отрезку DE и т. п.
Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющихнаучное или практическое значение. В принципе они подобны рассмотреннойдиаграмме состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществмогут быть особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит придавлении, превышающем атмосферное. В этом случаенагревание кристаллов при атмосферном давлении приводит не к плавлению этоговещества, а к его сублимации- превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.
8.Объяснение аномалий.
Теперь мы сможем объяснить происхождение многочисленных аномалий воды.Рассмотрим аномалии плотности. Первая — резкое увеличение плотности приплавлении льда — связана с тем, что сетка водородных связей льда сильноискажается после плавления: в водной сетке углы между связями отклоняются отоптимальных тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустогопространства между молекулами воды. Вторая определяется тепловой перестройкойструктуры водной сетки. Чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка,обусловливая уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 С. Привысоких температурах перестройка структуры сетки уже мало влияет на плотность,поскольку сетка здесь сильно отличается от ажурной тетраэдрическойконфигурации. Тогда становится видным общее для всех веществ (нормальное)явление увеличения расстояний между частицами при нагревании. Заметим, чтоприближение плотности воды при ее переохлаждении к плотности льда не означает,что структура воды становится все больше похожей на структуру льда. Хотя углымежду водородными связями при этом приближаются к тетраэдрическим, но структураажурной случайной водной сетки при низких температурах не имеет ничего общего срегулярной структурой льда Ih .
Аналогичным образом можно объяснить аномальное поведение и других свойств водыпри низких температурах, например, сжимаемости. Общая причина такогоаномального поведения заключается в том, что при низких температурах сеткаводородных связей воды еще не очень искажена по сравнению с тетраэдрическойконфигурацией, и при изменении температуры имеет первостепенное значениеперестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад вповедение наблюдаемого нами свойства воды. При высоких температурах, когдаводная сетка сильно деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние нанаблюдаемое свойство и вода ведет себя, как и все обычные жидкости.
Чтобы деформировать сетку при изменении температуры, перестроить ее структуру,нужно затратить энергию; это и объясняет аномальный вклад в теплоемкость.Изменение структуры сетки можно назвать изменением ее конфигурации, поэтомуаномальный вклад в теплоемкость, который описывает затраты энергии на изменениеструктуры сетки (при увеличении температуры на один градус), называют конфигурационнойтеплоемкостью. Аномальный вклад в теплоемкость не исчезает вплоть до 100°С (при обычномдавлении) и его величина мало изменяется с температурой. Это означает, чтосетка водородных связей в воде существует на всем интервале существования жидкости- от точки плавления до точки кипения: с ростом температуры водородные связи неразрываются, а постепенно изменяют свою конфигурацию.
Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняетсятем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность еесказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобыиспарить 1 г воды, нагретой до 100о С, требуется в шесть раз большетепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 о С.Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашейпланете.
9.Литература:
Ахметов Н.С., Неорганическая химия.Москва, 1992г.
Глинка Н.Л., Общая химия. Ленинград,1984г.
ДерпгольцВ. Ф. Вода во вселенной. — Л.: «Недра», 1971.
КрестовГ. А. От кристалла к раствору. — Л.: Химия, 1977.
Хомченко Г.П. Химия дляпоступающих в ВУЗы. — М., 1995г.