Муниципальное общеобразовательное учреждение
Курумоченская средняя общеобразовательная школа
Волжский район Самарская область
Аномалииводы.
Рефератвыполнил
ученик9 класса Г
Прокофьев Александр
Руководитель-
учитель химии высшей категории
МОУКурумоченской СОШ
КарповаМарина Алексеевна
с. Курумоч
2006 год.
Содержание. Введение. Аномалии воды. §1. Составводы. §2. Строениемолекулы.§3.Аномалии. Физические свойства.§4.Химические свойства.§5. Применениеводы.Заключение.Списоклитературы.
Приложения.
Введение.
Вода дороже золота…
Антуан де Сент-Экзюпери.
Вода — это не только реки,моря, океаны, ледники, облака, дождь, снег. Ее находят в пустынях, которыеназываются безводными. Вода содержится в горных породах. Даже в расплавленноймагме она присутствует в значительных количествах и выделяется в виде пара приизвержении вулканов. Ни один процесс на Земле — гео- или техногенный — непроходит без участия воды. Да и сама жизнь на планете оказалась возможна толькоблагодаря замечательным свойствам воды.
Данная темареферата была выбрана потому, что вода мало изучается в школьном курсе. Онаважна тем, что сейчас многих ставят в тупик мало или совсем не изученныесвойства воды. Эта тема представляет очень большую научную ценность, так каквода, хоть и самое «изученное» вещество на Земле, но хранит в себе огромноеколичество тайн и загадок, порой необъяснимых.
Материаломдля написания реферата послужили: журнал «Химия в школе» №7 за 2001 год;учебники по химии за 9 и 8 классы.
Цельюданной работы является подробное теоретическое изучение аномалий воды. Дляэтого необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение структуры, состава,химических и физических свойств воды.
2. Установление аномальности всвойствах воды.
3. Установление причин ееаномальности.
Чистая вода — бесцветная жидкость, без вкуса и запаха, кипит при100°С (при давлении 101,3кПа), замерзает при О °С, ее максимальная плотность(при 4 °С) равна 1 г/см3
На первый взгляд, вода кажется оченьпростым соединением, состоящим из атомов водорода и кислорода. На самом делеэто самое аномальное вещество в мире.
Некоторыеаномалии в свойствах воды:
Ø Ближайшие «родственники» воды — сероводород иселеноводород — газы, хотя их молекулярные массы в несколько раз превосходятмассу молекул воды.
Ø Воду трудно испарить. Ее удельная теплота испарениявыше, чем у всех известных веществ.
Ø Температуры плавления и кипения воды гораздо выше, чемможно было бы ожидать исходя из закономерностей изменения этих параметров вряду H2O—H2S—H2Se.
Ø Поверхностное натяжение воды выше, чем у всех другихжидкостей (кроме ртути).
§1. Состав воды.
При разложении воды электрическим током образуются газы: водород — два объема и кислород —один объем. Зная, что 1 л водорода при нормальныхусловиях имеет массу 0,089 г, а 1 л кислорода — 1,429 г, можно вычислить массовые отношения выделившихся газов:
(0,089- 2): 1,429 1:8
Так как в молекуле воды не может быть меньше одного атома кислорода (16 а.е.м.), а простейшее массовое отношение водорода к кислороду равно 1:8, то вмолекуле воды должно быть два атомаводорода (2 а.е.м.). Следовательно, формула воды Н2О.
В таких же массовых отношениях водород и кислород реагируют при образовании воды. Для проведенияэтойреакции используют эвдиометркоторый представляет собой толстостенную трубку с делениями,закрытую резиновой пробкой с вставленнымимедными проволочками. Трубку заполняютдистиллированной водой и опускают открытымконцом в сосуд. В эвдиометр вводятдва объема кислорода и два объема водорода. Свободные концы проволочек соединяют проводами с индукционной катушкой, а последнюю — с источникомэлектрического тока. Между сближенными концами проволочек проскакивает искра и происходит взрыв. Вода в трубке эвдиометра поднимается на триделения. Остается один объем газа, в котором тлеющая лучинка вспыхивает,—это кислород,
Следовательно, при образовании воды, также как и при ее разложении, два объема водорода соединяются с одним объемомкислорода.
§2. Строение молекулы.
Как известно, свойствахимических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы,и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или какгидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены вуглах равнобедренного треугольника с длиной связи О – Н 0,957 нм; валентный угол Н – О – Н 104o27’.
1040 27′
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 водородной.Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственногостроения.
Тяжелая вода. В 1932 году американцыГ.Юри и Э.Осборн обнаружили, что даже в самой чистой воде, которую только можнополучить в лабораторных условиях, содержится незначительное количествокакого-то вещества, выражающегося, по-видимому, той же химической формулой Н2О,но обладающего молекулярным весом 20 вместо веса 18, присущего обычной воде. Юри назвал это вещество тяжёлой водой.Большой вес тяжёлой воды объясняется тем, что её молекулы состоят из атомовводорода с удвоенным атомным весом по сравнению с атомами обычного водорода.Двойной вес этих атомов в свою очередь обусловливается тем, что их ядрасодержат, кроме единственного протона, составляющего ядро обычного водорода,ещё один нейтрон. Тяжёлый изотоп водорода получил название дейтерия (Dили 2Н), а обычныйводород стали называть протием. Тяжёлая вода, окись дейтерия, выражаетсяформулой D2О.
Вскоре был открыт третий, сверхтяжёлый изотопводорода с одним протоном и двумя нейтронами в ядре, который был назван тритием(Т или 3Н). В соединении с кислородом тритий образует сверхтяжёлуюводу Т2О с молекулярным весом 22.
Вприродных водах содержится в среднем около 0,016% тяжёлой воды. Тяжёлая водавнешне похожа на обычную воду, но по многим физическим свойствам отличается отнеё. Точка кипения 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. В тяжёлой воде скоростьпротекания некоторых химических реакций иная, чем в обычной 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 тяжёлойводой, не прорастают; головастики, микробы, черви, рыбы в тяжёлой воде не могутсуществовать; если животных поить одной тяжёлой водой, они погибнут от жажды.Тяжёлая вода – это мёртвая вода.
Омагниченная вода. Имеется ещё один вид воды, отличающийся по физическимсвойствам от обычной воды, — это омагниченная вода. Такую воду получают спомощью магнитов, вмонтированных в трубопровод, по которому течет вода.Омагниченная вода изменяет свои физико-химические свойства: скорость химическихреакций в ней увеличивается, ускоряется кристаллизация растворённых веществ,увеличивается слипание твёрдых частиц примесей и выпадение их в осадок собразованием крупных хлопьев (коагуляция). Омагничивание успешно применяется наводопроводных станциях при большоймутности забираемой воды. Она позволяет также быстро осаждать загрязненныепромышленные стоки.
§3. Физические свойства. Аномалии воды.
Вода —это не только реки, моря, океаны, ледники, облака, дождь, снег. Ее находят впустынях, которые называются безводными. Вода содержится в горных породах.Даже в расплавленной магме она присутствует в значительных количествах ивыделяется в виде пара при извержении вулканов. Ни один процесс на Земле — гео-или техногенный — не проходит без участия воды. Да и сама жизнь на планетеоказалась возможна только благодаря замечательным свойствам воды.
Чистая вода — бесцветная жидкость,без вкуса и запаха, кипит при 100°С (при давлении 101,3кПа), замерзает при О °С, ее максимальная плотность(при 4 °С) равна 1 г/см3
На первый взгляд, вода кажется очень простым соединением,состоящим из атомов водорода и кислорода. На самом деле это самое аномальноевещество в мире.
В ряду однотипных водородных соединений элементов главнойподгруппы VIгруппы H2S— H2Se— Н2Те температуры плавления и кипения сувеличением относительной молекулярной массы возрастают .
В соответствии с этой закономерностью вода должна замерзатьоколо -100, кипеть около -80 0С
Зависимость температур плавления 1 и кипения2 водородных соединений элементов главной подгруппы VIгруппы от молекулярной массы.
название
теллуроводород
селеноводород
сероводород
вода
формула
Н2Те
Н2Sе
Н2S
Н2О
t плавления
— 510С
— 640С
— 820С
00С
t кипения
— 40С
— 420С
— 610С
1000С
молекул. масса
130
81
34
18
Два неспаренных электронаатома кислорода образуют две ковалентные полярные связи 0-Н, две электронныепары остаются неподеленными. Это приводит к некоторой асимметрии расположениягибридных орбиталей в пространстве. Электронная плотность связи ОН сильносмещена к более электроотрицательному атому кислорода, и ядро атома водорода(протон) почти лишается электронного облака. Обладая ничтожно малыми размерами,протон способен проникать в электронные оболочки электроотрицательных атомовсоседних молекул. Такую связь называют водородной.Каждая молекула воды за счет двух электронных пар и двух атомов водородаобразует четыре водородные связи. Энергия водородной связи в воде 25 кДж/моль.Прочность четырех водородных связей соизмерима с прочностью ковалентной связи.Все молекулы воды за счет водородных связей объединены в единый полимер.Ассоциация молекул, затрудняющая их отрыв друг от друга, и служит причинойаномально высоких температур плавления и кипения вод
Плотность льда меньшеплотности воды, поэтому он не тонет. При плавлении льда разрушается лишь частьмежмолекулярных связей, поэтому при температуре, близкой к 0 °С, жидкая водасодержит как остатки структуры льда, так и оторвавшиеся от них молекулы воды,которые размещаются в пустотах. Этим достигается более плотная упаковкамолекул. Вследствие этого плотность воды в интервале от 0 до 4 °С повышается.При 4 °С плотность воды наибольшая.
Зависимость плотности воды от температуры.
Расстояниемежду атомами кислорода соседних молекул льда равно 0,276 нм. С повышениемтемпературы вследствие теплового движения молекул воды среднее расстояниемежду атомами кислорода увеличивается. При 15 °С оно достигает 0,290 нм, а при83 °С — 0,305 нм. Плотность воды, соответственно, понижается.
Это свойство воды очень важно для существования жизни на Земле. Зимойнамерзающий лед не тонет в воде. Полости придают льду высокиетеплоизоляционные свойства. Подо льдом сохраняется постоянная температура. Приохлаждении водоемов ниже 4 °С более холодная вода как менее плотная остаетсясверху и перемешивание слоев прекращается.
Имея структуру, сходную со строением кристаллической решетки алмаза, водаобладает свойствами твердых тел. Ничего странного нет в том, что полноводныереки промывают глубокие ущелья или широкие долины в крепчайших породах.Образовавшиеся за миллионы лет обширнейшие равнины на десятки километров вглубину состоят из осадочных пород — продукта работы древних рек.
При очень быстром ударе стальным бойком по тонкой струйке воды онарассыпается на осколки, подобно стеклянной или кварцевой палочке. Свойстваводы как твердого тела широко используют в промышленности. Струя воды,вытекающая из небольшого отверстия с большой скоростью (давление в водянойкамере свыше 1000 атм), режет камень или стальной лист.
Считается, что вода не сжимается. Однако на глубине 10 км плотность морской водына 4 % больше. Расчеты показывают, что если бы вода была совершенно несжимаема,уровень океана поднялся бы на 30 м. В отличие отковалентных водородные связи при сильном сжатии (давлении) не разрушаются.
В отсутствие силы тяжести вода имеет форму шара, которую мы можем наблюдать припадении капель, а космонавты — в космическом корабле. Сферическая форма водысвязана с поверхностным натяжением, которое обусловлено способностью молекулводы сцепляться (когезия). Это сцепление молекул вызвано водородными связями. Молекулыводы в поверхностном слое испытывают действие сил межмолекулярного притяжениятолько с одной стороны. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях, стараютсявтянуть молекулы наружного слоя внутрь, и вследствие этого образуется упругаявнешняя пленка, благодаря которой некоторые предметы (например, стальнаяиголка) могут лежать на поверхности воды, слегка ее прогибая. Многие насекомые(водомерки, многохвостки и др.) легко скользят по поверхности воды. Маленькиеулитки — прудовики и катушки — ползают по внутренней стороне пленки, как потвердой поверхности, в поисках пищи. Поверхностное натяжение воды оченьвысокое — 0,073 Н/м при 20 °С. По прочности на разрыв струя воды не уступаетстальной проволоке того же сечения.
Еще одно интересное свойство воды — способность смачиватьповерхность твердого тела, «прилипать» к ней (адгезия). Если поверхностьхорошо смачивается водой, например обезжиренное стекло, то вода растекается поней сплошной пленкой, если не смачивается, то собирается каплями. С этимявлением связан капиллярный эффект -поднятие столбика воды вверх по очень узкимтрубочкам — капиллярам. Хорошо смачиваются вещества, с молекулами которых водаобразует водородные связи. Это могут быть неорганические соединения с ионной иковалентной полярной связью: кислоты, щелочи, соли, а также органические вещества,содержащие группы –ОН, -NH2, и т.д. Как правило,хорошо смачиваемые неорганические вещества в воде растворяются и распадаютсяна ионы — диссоциируют. Несмачиваемые вещества практически не растворяются.
Вода — весьма подвижная жидкость. Высокую текучесть воды можно объяснитьтем, что пустоты ее ажурной структуры заполнены отдельными молекулами, которыелегко встраиваются в вакансии кристаллической решетки, не нарушая водородныхсвязей, а также легко могут переходить из кристаллической решетки в пустотыажурной структуры. Кристаллические структуры воды и льда почти одинаковы. Силымежмолекулярного притяжения в молекулярной решетке льда менее прочны, чемковалентные связи. При нагрузках на лед происходит его медленная деформация —смещение слоев без разрушения кристаллической структуры. Поэтому лед тожетечет. Ледники текут со скоростью 1 м в 10 суток, иногда их скорость может достигать сотниметров в сутки.
В то же время сотовая структура льдапридаст ему высокую механическую прочность на сжатие. Изо льда строят надежные площадки.
В природе вода находится в трех фазовых состояниях: жидком,газообразном (пар) и твердом (лед). Содержание пара в атмосфере определяютдавлением и температурой воздуха. За минуту солнце испаряет на Земле околомиллиарда тонн воды. Восходящими потоками воздуха вода поднимается в верхниеслои атмосферы, где, по расчетам, содержится 13 800 кмг парообразной воды. Набольшой высоте при низких температуре и давлении водяной пар конденсируется ипревращается в мельчайшие капельки влаги облаков. Масса 1 м3 облаковсоставляет 2000 т. Каждую минуту водяной пар отдает атмосфере Земликолоссальную энергию — 2,2 • 1010 Дж. Эта энергия приводит в движениеогромные массы воздуха, которые переносят сотни миллиардов тонн воды в облакахна тысячи километров. За счет этой энергии дуют ветры, рождаютсяразрушительные бури, ураганы и тайфуны. Благодаря потокам воздуха в атмосферепроисходит орошение влагой поверхности Земли.
Притемпературе О °С и давлении 1 атм. вода может одновременно находиться в трехфазах: твердой, жидкой и газообразной. В результате кристаллизации объем водывозрастает на 11 %. При замерзании в замкнутом пространстве увеличение объемаприводит к избыточному давлению до 2500 атм. Внезапное выделение колоссальнойэнергии может быть причиной больших разрушений
Земная вода и поглощает,и возвращает очень много тепла, и тем самым “выравнивает” климат. Особеннозаметно на формирование климата материков влияют морские течения, образующие вкаждом океане замкнутые кольца циркуляции. Наиболее яркий пример – влияниеГольфстрима, мощной системы тёплых течений, идущих от полуострова Флорида вСеверной Америке до Шпицбергена и Новой Земли. Благодаря Гольфстриму средняятемпература января на побережье Северной Норвегии, за Полярным кругом, такаяже, как в степной части Крыма, — около 00С, т. е. повышена на 15 – 200С. А в Якутии на той жешироте, но вдали от Гольфстрима – минус 400С. А от космического холодапредохраняют Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках ив виде паров. Водяной пар создаёт мощный “парниковый эффект”, которыйзадерживает до 60% теплового излучения 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 температуры воздуха впереходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величиныскрытой теплоты плавления и испарения воды.
Вода – это важный источник энергоресурсов. Как известно, всегидроэлектрические станции мира, от маленьких до самых крупных, превращаютмеханическую энергию водного потока в электрическую исключительно с помощьюводяных турбин с соединёнными с ними электрогенераторами. На атомныхэлектростанциях атомный реакторнагревает воду, водяной пар вращает турбину с генератором и вырабатываетэлектрический ток.
§4. Химические свойства.
Особенно важныспособность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность водырастворять вещества разной химической природы.
Роль воды как главного иуниверсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и,как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью.Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг кдругу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекуламиили атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловомудвижению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение,в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.
Лишь незначительная долямолекул (одна из 500,000,000) подвергается электролитической диссоциации посхеме:
Однако, приведённое уравнениеусловное: не может существовать в водной среде лишённый электронной оболочкипротон Н+. Он сразу соединяется с молекулой воды, образуя ионгидроксония Н3О+, который в свою очередь объединяется содной, двумя или тремя молекулами воды в Н3О+ , Н5О2+, Н7О3+
Электролитическаядиссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Степень электролитическойдиссоциации заметно возрастает при повышении температуры.
Образование воды изэлементов по реакции:
— 242 кДж/мольдля 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 и повышении температуры равновесие сдвигается влево.
Вода –реакционноспособное соединение.
Вода окисляется атомарным кислородом:
При взаимодействии с F2 образуется НF, а также О2; О3; Н2О2; F2О и другие соединения.
С остальными галогенамипри низких температурах вода реагирует с образованием смеси кислот Н Г и Н Г О.
При обычных условиях сводой взаимодействует до половины растворённого в ней Сl2 и значительноменьшие количества Br2 и J2 .
При повышенныхтемпературах СI2и Br2 разлагают воду собразованием Н Гал и О2 .
При пропускании паров воды через раскалённый уголь онаразлагается и образуется так называемый водяной газ:
При повышеннойтемпературе в присутствии катализатора вода реагирует с СО; СН4 и другими углеводородами, например:
Эти реакции используют дляпромышленного получения водорода.
Фосфор при нагревании сводой под давлением в присутствиикатализатора окисляется в метафосфорную кислоту:
Вода взаимодействует сомногими металлами с образованием Н2 и соответствующего гидроксида.
Сощелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активныеметаллы разлагают воду при повышеннойтемпературе, например, Мg и Zn – выше 1000С; Fe– выше 6000С:
При взаимодействии с водой многихоксидов образуются кислоты или основания.
Вода может служитькатализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI2 только вприсутствии следов воды.
Иногда вода – каталитическийяд, например, для железного катализатора при синтезе NH3.
§5. Применениеводы.
Роль воды в промышленности,в сельском хозяйстве и в быту очень велика и многообразна. Вода является важным сырьемдля химической промышленности, например дляполучения водорода. Способность водыреагировать с некоторыми оксидами используетсядля получения оснований и кислот. Вода широкоприменяется как растворитель. Даже если речь пойдет только о промышленности, то областиприменения воды настолько обширны,что практически невозможноназвать какой-либо производственный процесс, в котором не использовалась бывода. Промышленность нашей страны ежесекундно потребляет столько воды, сколько несет ее Волга. Наполучение 1 т стали расходуется 150 т воды, бумаги — 250 т, синтетическихволокон ~ 4000 т.
Вода используется в сельском хозяйстве для полива, например,овощных, зеленных и технических культур, а также при производствесельскохозяйственной продукции.
Многие химические процессы ускоряются в присутствии воды, т. е. водаиграет роль катализатора. А, например, при получении кислот, гашении
извести, в процессах гидратации, схватывания и затвердевания связывающихматериалов (цемент, гипс, известь) вода — активный реагент.Как это ни странно звучит,но вода играет определенную роль и в искусстве: каскады прудов и фонтаныукрашают сады и парки. Во многих странах есть традиция сооружать зимойледяные скульптуры героев сказок и легенд.Области использованияводы показаны на схеме.
Заключение.
Вода—самое изученноевещество на Земле. Но это не совсем так. Например, недавно ученые обнаружили,что вода способна нести информацию, которая стирается, если воду сначалазаморозить, а затем разморозить. Также, ученые не могут объяснить тот факт, чтовода способна воспринимать музыку. Например, при прослушивании Чайковского,Моцарта, Баха и последующей заморозке образуются кристаллы правильной формы, апосле тяжелого рока нечто бесформенное. То же самое наблюдается при сравнении матери Терезы и Гитлера; слов «любовь»,«надежда» и слова «дурак». Кроме того,ученые сравнивали и энергетику воды, и оказалось, что вода со столовых горАфрики заряжена намного сильнее, чем вода из крана, а вода в огромных бутылках,какая бы она не была чистая, мертва. Еще, как бы то ни было парадоксально, безводы невозможно горение! Ведь вода содержится везде и очень многое из этогогорит. Если из бензина удалить всю воду, то он абсолютно перестанет гореть. Идаже сама вода горит!!! Правда не так интенсивно, но все же факт остаётсяфактом.
Многим известно, что водаспособна образовывать очень устойчивое соединение с нефтью, которое не годится для переработки. Но российскиеученые придумали способ их разделения. Для этого на нефтяной субстратвоздействовали электромагнитным полем в течение недели. И по ее истечении онразделился на нефть и воду. Но самое интересное то, что частота поля была равначастоте биотоков сердца.
Гидросфера — водная оболочка Земли: 3/4 поверхности планеты покрыты водой Общий объем водных запасов 1 400 000 000 км3,из них:
97 % — соленая вода Мирового океана;
2,2 % — ледники покровные и горные и плавающие льды;
Детальные геологические замерыпоказали, что за 80-100 млн. лет вся земная суша сносится водным стоком в Мировойокеан. Движущая сила этого процесса — круговорот воды в природе — один изглавных планетарных процессов.
Под действием солнечнойэнергии Мировой океан испаряет около 1 млрд. тонн воды в минуту. Поднимаясь вверхние холодные слои атмосферы, водяной пар конденсируется в микрокапли,которые постепенно укрупняются и образуют облака. Средний срок жизни облака 8-9дней. За это время ветер м