Вода. 
Тяжка вода

1. Вода у природі стор. 3.

2. Фізичні властивості води стр. 3.

3. Діаграма стану води стр. 6.

4. Хімічні властивості води стр. 8.

5. Важка вода стр. 10.

6. Бібліографія стр. 11.

1. Вода у природі. Вода — дуже розповсюджена Землі речовина. Майже ¾ поверхні земної кулі вкриті водою, котра утворює океани, моря, річки й озера. Багато води перебуває у газоподібному стані вигляді парів в атмосфері; як величезних мас снігу та криги лежить вона цілий рік на вершинах високих крейдяних гір і в полярних країнах. У надрах землі також находитcя вода, пропитывающая грунт, і гірські породы.

Природна вода немає зовсім чистим. Найбільш чистої є дощова вода, але вона містить незначні кількості різних домішок, які захоплює з воздуха.

Кількість домішок в прісних водах найчастіше у межах від 0,01 до 0,1% (мас.). Морська вода містить 3,5% (мас.) розчинених речовин, головну масу яких складає хлорид натрію (поварена соль).

Вода, яка містить значну кількість солей кальцію і магнію, називається жорсткої на відміну м’якої води, наприклад дощовій. Жорстка вода дає мало піни з милом, але в стінках котлів утворює накипь.

Щоб звільнити природну воду від зважених у ній частинок, її фільтрують крізь шар пористого речовини, наприклад, вугілля, обпаленої глини тощо. п. При фільтруванні великих кількостей води користуються фільтрами з піску і гравію. Фільтри затримують також більшу частину бактерій. З іншого боку, для знезараження питної води її хлорують; для повної стерилізації води потрібно більш 0,7 р хлору на 1 т воды.

Фільтруванням можна видалити із води лише нерозчинні домішки. Розчинені речовини видаляють з її шляхом перегонки (дистиляції) чи іонного обмена.

Вода має дуже велике значення у житті рослин, тварин і людини. Відповідно до сучасними уявленнями, саме походження пов’язують із морем. У всякому організмі вода є середу, у якій протікають хімічні процеси, щоб забезпечити життєдіяльність організму; ще, саму себе бере участь у цілий ряд біохімічних реакций.

2. Фізичні властивості води. Чиста вода є безбарвну прозору рідина. Щільність води під час переходу їх із твердого стану в рідке не зменшується, як майже в усіх інших речовин, а зростає. При нагріванні води від 0 до 4 °C щільність її також. При 4 °C вода має максимальну щільність, і тільки при подальшому нагріванні її щільність зменшується. Якби при зниженні температури і за перехід з стану в тверде щільність води змінювалася як і, як в переважній більшості речовин, то, при наближенні зими поверхневі шари природних вод прохолоджувалися. до 0 °C і опускалися на дно, звільняючи місце теплим верствам, й дуже тривало до того часу, поки всю масу водойми не отримала б температуру 0 °C. Далі вода починала б замерзати, які утворюються крижини занурювалися на дно і водойму промерз на його глибину. У цьому багато форми життя жінок у воді були б неможливі. Та оскільки найбільшої щільність вода сягає при 4 °З, то переміщення її верств, викликаного охолодженням, закінчується під час досягнення цієї температури. При подальшому зниженні температури охолоджене шар, у якого меншою щільністю, залишається лежить на поверхні, замерзає і тим самим захищає що лежать нижче верстви від подальшого охолодження і замерзания.

Важливе значення у житті природи має і те що, що вода. має аномально високої теплоемкостью [4,18 Дж/(г[pic]К)], Тому .у нічний час, і навіть під час переходу від літа до зими вода вистигає повільно, а днем або за переході від зими до літа як і повільно нагрівається, будучи, таким чином, регулятором температури на земній кулі. У зв’язку з тим, що з плавленні льоду обсяг, яку він обіймав водою, зменшується, тиск знижує температуру плавлення льоду. Ця випливає з принципу Ле Шателье. Справді, нехай. на кригу й рідка вода перебувають у рівновазі при О°С. При збільшенні тиску рівновагу, відповідно до принципу Ле Шателье, зміститься убік освіти тієї фази, яка за тієї ж температурі займає менший обсяг. Цією фазою в тому випадку рідина. Отже, зростання тиску при О°С викликає перетворення льоду в рідина, але це і означає, що температура плавлення льоду знижується. Молекула води має кутовий будова; що входять до її складу ядра утворюють рівнобедрений трикутник, під аркушами котрого зберігаються два протона, а вершині — ядро атома кисню, Межъядерные відстані О—Н близькі до 0,1 нм, відстань між ядрами атомів водню дорівнює приблизно 0,15 нм. З восьми електронів, складових зовнішній електронний шар атома кисню в молекулі воды.

[pic].

две електронні пари утворюють ковалентные зв’язку О—Н, інші ж чотири електрона є дві неподеленных електронних пары.

Атом кисню в молекулі води перебуває у стані [pic]-гибридизации. Тому валентний кут НОН (104,3°) близький до тетраэдрическому (109,5°). Електрони, що утворюють зв’язку О—Н, зміщено до більш электроотрицательному атома кисню. Через війну атоми водню набувають ефективні позитивні заряди, отже цих атомах створюються два позитивних полюси. Центри негативних зарядів неподеленных електронних пар атома кисню, що перебувають у гібридних [pic]- орбиталях, зміщено щодо ядра атома та створюють два негативних полюси [pic].

Молекулярна маса парообразной води дорівнює 18 й відповідає її найпростішої формулі. Проте молекулярна маса рідкої води, обумовлена шляхом вивчення її розчинів за іншими розчинниках виявляється більш, високої. Це свідчить у тому, що у рідкої воді відбувається асоціація молекул, т. е. з'єднання в складніші агрегати. Такий висновок підтверджено і аномально високими значеннями температур плавлення і кипіння води. Асоціація молекул води викликана освітою з-поміж них водневих связей.

У твердої воді (лід) атом кисню кожної молекули бере участь у освіті двох водневих зв’язку з сусідніми молекулами води відповідно до схеме,.

[pic] [pic].

в якої водневі зв’язку показані пунктиром. Схема об'ємної структури льоду зображено малюнку. Освіта водневих зв’язків призводить до такому розташуванню молекул води, у якому вони торкаються одна одної друг з одним своїми різнойменними полюсами. Молекули утворюють верстви, причому кожна з яких пов’язані з трьома молекулами, які належать при цьому прошарку, і з одного — з сусіднього шару. Структура льоду належить до найменш щільним структурам, в ній є порожнечі, розміри найменш щільним структурам, у ній існують порожнечі, розміри яких — кілька перевищують розміри молекули [pic]. При плавленні льоду його структура руйнується. Та й у рідкої воді зберігаються водневі зв’язок між молекулами: утворюються ассоциаты — як б уламки структури льоду, — які з більшого чи меншої кількості молекул води. Однак у відрізнить від льоду кожен ассоциат є дуже короткий час: постійно відбувається руйнація одним і освіту інших агрегатів. У пустотах таких «крижаних» агрегатів можуть розміщатися одиночні молекули води; у своїй упаковка молекул води стає більш щільною. Саме тому при плавленні льоду обсяг, яку він обіймав водою, зменшується, а її щільність возрастает.

Принаймні нагрівання води уламків структури льоду у ній стає дедалі менше, що зумовлює подальшого підвищення щільності води. У інтервалі температур від 0 до 4 °C цей ефект переважає над тепловим розширенням, отже щільність води продовжує зростати. Проте за нагріванні вище 4 °C переважає вплив посилення теплового руху молекул і щільність води зменшується. Тому, за 4 °C вода має максимальної плотностью.

При нагріванні води частина теплоти витрачається на розрив водневих зв’язків (енергія розриву водневої зв’язку у питній воді становить приблизно 25 кДж/моль). Цим пояснюється висока теплоємність води. Водневі зв’язок між молекулами води повністю розриваються лише за переході води на пару. 3. Діаграма стану води. Діаграма стану (чи фазовая діаграма) є графічне зображення залежності між величинами, котрі характеризують стан системи, і фазовыми перетвореннями у системі (перехід із твердого стану на рідке, з рідкого в газоподібної тощо. буд.). Діаграми стану широко застосовують у хімії. Для однокомпонентных систем зазвичай використовуються діаграми стану, що дають залежність фазових перетворень від температури і тиску; вони називаються діаграмами стану в координатах Р—Т. На малюнку приведено в схематичної формі (без суворого дотримання масштабу) діаграма стану води. Будь-який точці з діаграми відповідають певні значення температури і давления.

Діаграма показує ті стану води, які термодинамічно стійкі за певних значеннях температури і тиску. Воно складається з трьох кривих, розмежовують всіх можливих температури і тиску три області, відповідальні льоду, рідини і кілька. [pic].

Розглянемо кожну з кривих докладніше. Почати з кривою ОА (рис. 73), яка відділяє область пара від області стану. Уявімо циліндр, з яких видалено повітря, після чого нього введено деяке кількість чистої, вільна від розчинених речовин, зокрема від газів, води; циліндр оснастили поршнем, який закріплений деякому становищі. Невдовзі частина води випарується та контроль її поверхнею буде перебувати насичений пар. Можна виміряти тиск й переконатися у цьому, що його не змінюється з часом та залежною від становища поршня. Якщо збільшити температуру всієї системи та знову виміряти тиск насиченого пара, то виявиться, що його зросла. повторюючи такі виміру що за різних температурах, знайдемо залежність тиску насиченого водяної пари від температури. Крива ОА є графік цієї залежності: точки кривою показують ті пари значень температури і тиску, у яких рідка вода і водяну пару перебувають у рівновазі друг з одним — співіснують. Крива ОА називається кривою рівноваги жидкость—пар чи кривою кипіння. У таблиці наведено значення тиску насиченого водяної пари за кількох температурах. [pic] |Темпер|Давление |Температ|Давление | |атура |насиченого |ура |насиченого | | |пара | |пара | | | | | | | | | |кПа |мм рт. | |кПа |мм рт. | | | |ст. | | |ст. | |0 |0,61 |4,6 |50 |12,3 |92,5 | |10 |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 |.

Спробуємо здійснити в циліндрі тиск, не на рівноважного, наприклад, менше, ніж рівноважний. І тому визволимо поршень і піднімемо його. У момент тиск у циліндрі, справді, впаде, але незабаром рівновагу відновиться: випарується додатково певна кількість води та тиск знову досягне рівноважного значення. Тільки тоді, коли вся вода випарується, можна здійснити тиск, менше, ніж рівноважний. Звідси випливає, що точкам, лежачим з діаграми стану нижче чи правіше кривою ОА, відповідає область пара. Якщо намагатися створити тиск, що перевищує рівноважний, то цього можна досягнути, лише опустивши поршень до поверхні води. Інакше висловлюючись, точкам діаграми, лежачим вище чи лівіше кривою ОА, відповідає область стану. До яких пір простираються вліво області рідкого і пароподібного стану? Визначимо за однією точці на обох областях і рухатися від нього горизонтально вліво. Цьому руху точок з діаграми відповідає охолодження рідини чи пара при постійному тиску. Відомо, що й охолоджувати воду нормального атмосферному тиску, то, при досягненні 0 °C вода почне замерзати. Проводячи аналогічні досліди за інших тисках, то дійдемо кривою ОС, яка відділяє область рідкої води від області льоду. Ця крива — крива рівноваги тверде стан — рідина, чи крива плавлення, — показує ті пари значень температури і тиску, у яких на кригу й рідка вода перебувають у рівновазі. Рухаючись за горизонталлю вліво у сфері пара (в нижнею частини діаграми), аналогічно то дійдемо кривою 0 В. Это—кривая рівноваги тверде состояние—пар, чи крива сублімації. Їй відповідають ті пари значень температури до тиску, за яких рівновазі перебувають на кригу й водяний пар.

Усі три криві перетинаються у точці Про. Координати цієї точки—это єдина пара значень температури і тиску,. за яких рівновазі можуть бути все три фази: лід, рідка вода і пар. Вона носить назва потрійний точки.

Крива плавлення досліджували до дуже високого тиску, У цій сфері виявлено кілька модифікацій льоду (з діаграми не показаны).

Праворуч крива кипіння закінчується у критичній точці. При температурі, відповідає цієї точке,—критической температурі— величини, що характеризують фізичні властивості рідини і кілька, стають однаковими, отже різницю між рідким і парообразным станом исчезает.

Існування критичної температури встановив 1860 р. Д. І. Менделєєв, вивчаючи властивості рідин. Він довів, що з температурах, лежачих вище критичної, речовина неспроможна перебувати у рідкому стані. У 1869 р. Эндрьюс, вивчаючи властивості газів, дійшов аналогічному выводу.

Критичні температура і тиск щодо різноманітних речовин різні. Так, для водню [pic] = —239,9 °З, [pic]= 1,30 МПа, для хлору [pic]=144°С, [pic]=7,71 МПа, для води [pic]= 374,2 °З, [pic]=22,12 МПа. Однією з особливостей води, які різнять його від інших речовин, є зниження температури плавлення льоду зі зростанням тиску. Ця обставина віддзеркалюється в діаграмі. Крива плавлення ОС з діаграми стану води йде вгору вліво, тоді як майже від інших речовин йде вгору вправо.

Перетворення, які з водою при атмосферному тиску, б’ють по діаграмі точками чи відрізками, розташованими на горизонталі, відповідає 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавлення льоду чи кристалізація води відповідає точці D, кипіння воды—точке Є, нагрівання чи охолодження води — відтинку DE тощо. п.

Діаграми стану вивчені для низки речовин, мають наукове чи практичного значення. У принципі так вони подібні розглянутим діаграмі стану води. Проте на діаграмах стану різних речовин може бути особливості. Так, відомі речовини, потрійна точка яких лежить при тиску, перевищує атмосферне. І тут нагрівання кристалів при атмосферному тиску наводить немає плавлению цієї речовини, а для її сублімації - перетворенню твердої фази у газообразную.

4. Хімічні властивості води. Молекули води вирізняються великою сталістю до нагріванню. Проте за температурах вище 1000 °З водяний пар починає розкладатися на водень і кислород:

2Н[pic]О [pic]2Н[pic]+О[pic].

Процес розкладання речовини у його нагрівання називається термічної дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, відповідно до принципу Ле Шателье, що стоїть температура, тим, у більшою мірою розкладається вода. Однак навіть за 2000 °З ступінь термічної дисоціації води вбирається у 2%, тобто. рівновагу між газоподібної водою і продуктами її дисоціації — воднем і киснем — залишається зрушеним убік води. При охолодженні ж нижче 1000 °З рівновагу практично цілком зсувається у тому направлении.

Вода — дуже реакционноспособное речовина. Оксиди багатьох металів і неметаллов поєднано з аналітичними водою, створюючи основи, а кислоти; деякі солі утворюють із жовтою водою кристаллогидраты; найактивніші метали взаємодіють із водою із водорода.

Вода володіє каталітичної здатністю. За відсутності слідів вологи мало протікають деякі звичайні реакції; наприклад, хлор не взаємодіє зі металами, фтороводород не роз'їдає скло, натрій не окислюється в атмосфери воздуха.

Вода здатна з'єднуватися із низкою речовин, що є при звичайних умовах перетворюється на газоподібному стані, створюючи у своїй так: звані гідрати газів. Прикладами можуть бути сполуки Хе[pic]6Н[pic]О, CI[pic][pic]8H[pic]O, С[pic]Н[pic][pic]6Н[pic]О, С[pic]Н[pic][pic]17Н[pic]О, які випадають як кристалів при температурах від 0 до 24 °З (зазвичай при підвищеному тиску відповідного газу). Такі сполуки творяться у результаті заповнення молекулами газу («гостя») межмолекулярных порожнин, наявних у структурі води («хазяїна»); вони називаються сполуками вмикання або клатратами.

У клатратных з'єднаннях між молекулами «гостя» і «хазяїна» утворюються лише слабкі межмолекулярные зв’язку; включена молекула неспроможна залишити свого місця у порожнини кристала переважно через просторових труднощів Тому клатраты — несталі сполуки, які можуть опинитися існувати лише за порівняно низьких температурах.

Клатраты використовують із поділу вуглеводнів і шляхетних газів. У останнім часом освіту й руйнація клатратов газів (пропану і деяких інших) успішно застосовується для знесолення води. Нагнітаючи в солону воду при підвищеному тиску відповідний газ, отримують льдоподобные кристали клатратов, а солі залишаються у розчині. Схожу на сніг масу кристалів відділяють від маткового розчину і промивають, Потім за деякому підвищенні температури або зменшення тиску клатраты розкладаються, створюючи прісну води і вихідний газ, що знову використовується щоб одержати клатрата. Висока економічність та порівняно м’які умови цього роблять його перспективним в ролі промислового методу опріснення морської воды.

5. Важка вода. При електролізі звичайній води, що містить поруч із молекулами Н[pic]О також незначна кількість молекул D[pic]O, освічених важким ізотопом водню, розкладанню піддаються переважно молекули Н[pic]О. Тому, за тривалому електролізі води залишок поступово збагачується молекулами D[pic]O. З такої залишку після багаторазового повторення електролізу в 1933 р. вперше це вдалося виділити небагато води яка перебуває на 100% з молекул D[pic]О і що отримала назву важкої води. За властивостями важка вода різний від звичної води (таблиця). Реакції з важкою водою протікають повільніше, ніж із звичайній. Важку воду застосовують у ролі уповільнювача нейтронів в ядерних реакторах.

|Константа |Н[pic]О |D[pic]О | |Молекулярна маса |18 |20 | |Температура замерзання, °З, |0 |3,8 | |Температура кипіння, °З, |100 |101,4 | |Щільність при 25 °C, г/см |0,9971 |1,1042 | |Температура максимальної |4 |11,6 | |щільності, °З | | |.

Бібліографія 1. Д.Э., Техніка і виробництво. М., 1972 р 2. Хомченко Г. П., Хімія для що у вузи. М., 1995 р. 3. Прокоф'єв М.А., Енциклопедичний словник юного хіміка. М., 1982 г. 4. Глінка Н.Л., Загальна хімія. Ленінград, 1984 г. 5. Ахметов М. С., Неорганічна хімія. Москва, 1992 г.