Свойства и структура воды
Вода в природе

Самое важное для жизни – вода.
Вода имеет первостепенное значение при большинстве химических реакций, в частности и биохимических. Древнее положение алхимиков – «тела не действуют, пока не растворены» – в значительной степени справедливо.
Человеческий зародыш содержит воды, %: трехдневный - 97, трехмесячный - 91, восьмимесячный - 81. У взрослого человека доля воды в организме составляет 65%.
Человек и животные могут в своем организме синтезировать первичную ("ювенильную") воду, образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей. У верблюда, например, жир содержащийся в горбу, может путем окисления дать 40 л воды.
Связь между водой и жизнью столь велика, что даже позволила В. И. Вернадскому «рассматривать жизнь, как особую коллоидальную водную систему... как особое царство природных вод».
Количество воды, содержащейся в живых существа составляет в каждый данный момент громадную величину. Силами жизни в течение одного года перемещаются десятые доли процента всего океана, а в немногие сотни лет через живое вещество проходят массы воды, превышающие массу Мирового океана.
Геохимический состав океанической воды близок к составу крови животных и человека.
Вода — весьма распространенное в природе вещество. 71 % поверхности земного шара покрыт водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Общие запасы воды на Земле составляют 1454,3 млн. км3 (из них менее 2% относится к пресным водам, а доступны для использования 0,3%).
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).
Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.
Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п.
Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси.
Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
Вода - обязательный компонент практически всех технологических процессов как промышленного, так и сельскохозяйственного производства.

Структура воды

Английский физик Генри Кавендиш обнаружил, что водород Н и кислород О образуют воду. В 1785 г. французскими химиками Лавуазье и Менье было установлено, что вода состоит из двух весовых частей водорода и шестнадцати весовых частей кислорода.
Однако нельзя думать, что это представление, выражающееся химической формулой Н2О, строго говоря, верно. Атомы водорода и кислорода, из которых состоит природная вода, или, точнее, окись водорода, могут иметь различный атомный вес и значительно отличаться друг от друга по своим физическим и химическим свойствам, хотя и занимают в периодической системе элементов одно и то же место.
Это так называемые изотопы. Известны пять различных водородов с атомными весами 1, 2, 3, 4, 5 и три различных кислорода с атомными весами 16, 17 и 18. В природном кислороде на 3150 атомов изотопа О16 приходится 5 атомов изотопа кислорода О17 и 1 атом изотопа кислорода О18. В природном газообразном водороде на 5,5 тыс. атомов легкого водорода Н (протия) приходится 1 атом Н2 (дейтерия). Что касается Н3 (трития), а также Н4 и Н5, то их в природной воде на Земле ничтожно мало, но участие их в космических процессах при низких температурах в межпланетном пространстве, в телах комет и т п. весьма вероятно.
Ядра атомов изотопов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомные массы изотопов различны.
Вокруг ядра атома водорода вращается один единственный электрон, поэтому атомный номер водорода равен единице. Этот электрон вращается по круговым орбитам, в совокупности образующим сферу. Орбит множество, и в зависимости от нахождения электрона на или иной круговой орбите у атома водорода может существовать множество энергетических состояний электрона, т.е. он может быть в спокойном или более или менее возбужденном состояниях.
У атома кислорода 8 электронов (атомный номер 8), 6 из которых движутся по наружным орбитам, представляющим форму восьмерки или гантели, и 2 по внутренней круговой орбите. В соответствии с количеством электронов в ядре атома кислорода 8 протонов, таким образом, сам атом в целом нейтрален.
Наиболее устойчивой наружной орбитой атома является состоящая из 8 электронов, а у кислорода их 6, т, е., не хватает 2 электронов. В то же время водород, как и кислород, существует в молекулах, содержащих 2 атома (Н2), связанных между собой двумя электронами, которые легко замещают вакансию двух электронов наружной орбиты атома кислорода, образуя в совокупности молекулу воды, с полной устойчивой восьмиэлектронной наружной орбитой.
Можно привести много различных схем образования молекулы воды, основанных на представлениях разных физиков. По существу в них нет никаких противоречий и принципиальных различий. Ведь в действительности ни строения атомов, ни строения молекулы никто не видел, поэтому гипотетические схемы строятся лишь на основе косвенных наблюдаемых приборами признаков, позволяющих предположить как поведение, так и свойства атомов и молекул.
Размеры атомов различных элементов колеблются примерно от 0,6 до 2,6 А, а величины длины световой волны – в несколько тысяч раз больше: (4,5-7,7)*10-5 см. К тому же и атомы, и молекулы не имеют четких границ, чем и объясняется существующий разнобой вычисленных радиусов.
При нормальных условиях следовало бы ожидать, что связи атома кислорода с обоими водородными атомами в молекуле Н2О образуют у центрального атома кислорода очень тупой угол, близкий к 180(. Однако совершенно неожиданно этот угол равен не 180(, а всего лишь 104(31'.
Вследствие этого внутримолекулярные силы компенсируются не полностью и их избыток проявляется вне молекулы. На рис. 2 показаны основные размеры молекулы воды.
В молекуле воды положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно, асимметрично. Такое расположение зарядов создает полярность молекулы. Хотя молекула воды нейтральна, но в силу своей полярности она ориентируется в пространстве с учетом тяготения своего отрицательно заряженного полюса к положительному заряду и положительно заряженного полюса к отрицательному заряду.
Внутри молекулы воды это разделение зарядов по сравнению с разделением зарядов у других веществ очень велико. Это явление называют дипольным моментом. Эти свойства молекул воды (называемые также диэлектрической проницаемостью, которая у Н2О очень велика) имеют очень большое значение, например в процессах растворения различных веществ.
Способность воды растворять твердые тела определяется ее диэлектрической проницаемостью (, которая у воды при 0( С равна 87,7; при 50( С – 69,9; при 100( С - 55,7. При комнатной температуре диэлектрическая проницаемость равна 80. Это значит, что два противоположных электрических заряда взаимно притягиваются в воде, с силой, равной 1/80 силы их взаимодействия в воздухе. Таким образом, отделение ионов от кристалла какой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.
Но вода состоит не только из одних молекул. Дело в том, что молекула воды может диссоциировать (расщепляться) на заряженный положительно ион водорода Н+ и на заряженный отрицательно гидроксильный ион ОН- . В обычных условиях чистая вода диссоциирована очень слабо: только одна молекула из 10 млн. молекул воды распадается на ион водорода и ион гидроксила. Однако с повышением температуры и изменением других условий диссоциация может быть значительно большей.
Хотя вода в целом в химическом отношении инертна, наличие ионов Н+ и ОН- делает ее чрезвычайно активной.
В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислорода (О-). Более того, в природе могут встречаться и другие соединения водорода с кислородом. К таким соединениям в первую очередь принадлежит широко распространенный отрицательно заряженный гидрооксоний Н3О+. Он встречается в растворах галита (NaСl) при высоких температурах и давлениях.
Гидрооксоний находится в узлах решетки льда (вместе с гидроксильным ином ОН-) в количестве (при 0( С) 0,27*10-9 частей, а также в связанном состоянии во многих минералах.
Н3О+ и ОН- в глубоких недрах являются переносчиками многих соединений (особенно в процессе гранитизации). К другим соединениям водорода с кислородом относятся перекись водорода (Н2О2), перигидроксил (НО2), гидроксил-моногидрат (Н3О2) и т. п. Все они неустойчивы в условиях земной поверхности, однако при некоторых темературах и давлениях могут находиться в природе длительное время, а главное – превращаться в молекулу воды, о чем будет сказано ниже. Н3О2- обнаружен в облаках ионосферы на высоте более 100 км над уровнем моря.
Как уже было отмечено выше, молекула воды, как правило, нейтральна.
Однако при вырывании из нее электрона бета-лучами (быстрыми электронами) может образоваться заряженная «молекула» воды – положительный ион H2O+.
При взаимодействии воды с этим ионом возникает радикал ОН- по схеме:

H2O+ + H2O = Н3О+ + ОН-.

При рекомбинации гидрооксония Н3О+ с электроном выделяется энергия, равная 196 ккал/моль, достаточная для расщепления Н2О на Н и ОН. Свободные радикалы играют весьма важную роль в астрофизике и в физике земной атмосферы. На Солнце был обнаружен радикал ОН, причем в пятнах в повышенном количестве. Он же обнаружен в звездах и в головной части комет.
Итак, рассматривая воду только как вещество, состоящее из атомов, молекул и ионов водорода и кислорода, и не принимая во внимание все другие элементы периодической системы и их неорганические и органические соединения, которые могут находиться воде в виде растворов, взвесей, эмульсий и примесей, газообразном, жидком и твердом состояниях, можно выделить 36 соединений – разновидностей водорода и кислорода, входящих в состав воды.
Случайные рефераты:
Реферати - Огляд творчості Юрія Яновського
Реферати - Іван Карпенко-Карий
Реферати - Борис Антоненко
Реферати - Василь Стус (науковий реферат)
Реферати - Життя і творчість Михайла Коцюбинського
Реферати - Життя і творчість Василя Стефаника
Реферати
  • Всі реферати
  • Архітектура
  • Астрономія, авіація
  • Аудит
  • Банківська справа
  • Безпека життєдіяльності
  • Біографія, автобіографія
  • Біологія
  • Бухгалтерський облік
  • Військова кафедра
  • Географія
  • Геологія
  • Гроші і кредит
  • Державне регулювання
  • Діловодство
  • Екологія
  • Економіка підприємства
  • Економічна теорія
  • Журналістика
  • Іноземні мови
  • Інформатика, програмування
  • Історія всесвітня
  • Історія України
  • Історія економічних вчень
  • Краєзнавство
  • Кулінарія
  • Культура
  • Література
  • Макроекономіка
  • Маркетинг
  • Математика
  • Медицина та здоров'я
  • Менеджмент
  • Міжнародні відносини
  • Мікроекономіка
  • Мовознавство
  • Педагогіка
  • Підприємництво
  • Політологія
  • Право
  • Релігієзнавство
  • Промисловість
  • Сільське господарство
  • Сочинения на русском
  • Соціологія
  • Литература на русском
  • Страхування
  • Твори
  • Фізика
  • Фізична культура
  • Філософія
  • Фінанси
  • Хімія
  • Цінні папери
  • Логіка
  • Туризм
  • Психологія
  • Статистика


    Онлайн всего: 17
    Гостей: 17
    Пользователей: 0

    Партнеры сайта