Удивительное вещество - вода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Химические и физические свойства воды

Вода в природе

Исследования воды

Применение

Факты

Заключение

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

Вода - одно из самых распространенных на Земле соединений. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты 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.

Воде принадлежит важнейшая роль в геологии и истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов. Практически все биохимические реакции, происходящие в клетке живого организма, связаны с водой или же водными растворами. В водных растворах протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов.

От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает большое количество тепла и тем самым "выравнивает" климат планеты. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере -- в облаках и в виде паров…

Без воды обойтись нельзя -- это самое важное вещество на Земле.



ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Вода (оксид водорода) -- бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н2O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного -- кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью (Рис. 1).

Рис. 1

При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета (в малом объёме), запаха и вкуса с плотностью 1 г/см3. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном -- водяным паром. (Рис. 2) Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях).

Рис. 2



Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей -- две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при -80 °С, а замерзала -- при -100 °С.

При температуре перехода в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности (большего объёма) воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C -- 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Химические свойства. Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Из химических свойств воды особенно важны способность её молекул дисоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

Диссоциация (распадение) молекул воды на ионы:

H2O > H++OH, или 2H2O > H3O (ион гидроксия) +ОН



Реакционная способность воды сравнительно невелика. Правда, некоторые активные металлы способны вытеснять из неё водород:

2Na+2H 2O > 2NaOH+H2^,

а в атмосфере свободного фтора вода может гореть:

2F2+2H 2O > 4HF+O2.

Вода реагирует при комнатной температуре:

1) с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

2H2O + 2Na > 2NaOH + H2

2) с фтором и межгалоидными соединениями

2H2O + 2F2 > 4HF + O2

3) с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз:

Al2S3 +6H2O > 2Al(OH)3 + 3H2S

4) с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот

5) с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)

6) с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

7) со многими солями, образуя гидраты

8) с боранами, силанами

9) с кетенами, недоокисью углерода

Вода реагирует при нагревании:

1) с железом, магнием:

2) с углем, метаном:

3) с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

4) с амидами, эфирами карбоновых кислот

5) с ацетиленом и другими алкинами

6) с алкенами

7) с нитрилами

ВОДА В ПРИРОДЕ

Вода - одно из самых распространенных на Земле соединений. Так же вода чрезвычайно распространённое вещество в космосе, однако из-за высокого внутрижидкостного давления вода не может существовать в жидком состоянии в условиях вакуума космоса, отчего она представлена только в виде пара или льда. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Жидкая вода, предположительно, имеется под поверхностью некоторых спутников планет, наиболее вероятно, на Европе -- спутнике Юпитера. По последним данным, признаки воды обнаружены на Луне и на Марсе. И вероятно скоро, ещё на некоторых небесных телах, нашей Солнечной системы будет найдено подтверждение существования воды вне нашей планеты. Многие кометы состоят изо льда на 50%. Однако стоит учитывать, что не любая водная среда пригодна для жизни.

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) -- 361,13 млн км. Водную оболочку земли называют гидросферой. На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % на ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды) (Рис. 3).

Рис. 3

Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Фундаментальна роль воды в жизни клетки.

Вода является самым ценным и самым необходимым веществом для жизнедеятельности живых организмов. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) - процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков (Рис. 4).

Рис. 4

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящей из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично просачиваются в землю и образуют подземные воды. В конце концов, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана.

Большая часть земной воды -- солёная, и она непригодна для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДЫ

Гидроломгия -- наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.).

Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озёрах, водохранилищах, болотах, почвенных и подземных вод.

Гидрология исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий; проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом; даёт оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов; пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках.

Данные гидрологии моря используются при плавании и ведении боевых действий надводными кораблями и подводными лодками.

Гидрология подразделяется на океанологию, гидрологию суши и гидрогеологию.

Океанология подразделяется на биологию океана, химию океана, геологию океана, физическую океанологию, и взаимодействие океана и атмосферы.

Гидрология суши подразделяется на гидрологию рек (речную гидрологию, потамологию), озероведение (лимнологию), болотоведение, гляциологию.

Гидрогеоломгия (от др.-греч. ?дщс «водность» + геология) -- наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод.

Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой.

В сферу этой науки входят такие вопросы, как динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиск и разведка подземных вод, а также мелиоративная и региональная гидрогеология. Гидрогеология тесно связана с гидрологией и геологией, в том числе и с инженерной геологией, метеорологией, геохимией, геофизикой и другими науками о Земле. Она опирается на данные математики, физики, химии и широко использует их методы исследования.

Данные гидрогеологии используются, в частности, для решения вопросов водоснабжения, мелиорации и эксплуатации месторождений.

Исследования известного японского ученого и целителя Масару Эмото показывают, что вода способна впитывать, хранить и передавать человеческие мысли и эмоции. Форма кристаллов льда, образующихся при замерзании воды, не только зависит от ее чистоты, но и изменяется в зависимости от того, какую над этой водой исполняют музыку, какие ей показывают изображения и произносят слова, и даже от того, думают люди о ней или не обращают на нее внимания.

Доктор Эмото считает, что, поскольку вода способна реагировать на очень широкий спектр электромагнитных колебаний («вибраций», или хадо, как он их называет), она отражает фундаментальные свойства вселенной в целом. Как люди, так и вся наша Земля на 70 процентов состоит из воды.

Вода - это связующее звено между духом и материей.

Поэтому, убежден Масару Эмото (Рис. 5), мы можем исцелить самих себя и планету, сознательно культивируя важнейшие позитивные «вибрации» любви и признательности.



Рис. 5

Интересные факты

В природе существует около 1330 видов воды. Они различаются по происхождению (дождевая, почвенная, из свежего или долго лежащего снега и пр.), по количеству и характеру растворенных в ней веществ.

Некоторые виды воды:

Бромная вода -- насыщенный раствор Br2 в воде (3,5% по массе Br2). Бромовая вода -- окислитель, бромирующий агент в аналитической химии.

Аммиачная вода -- образуется при контакте сырого коксового газа с водой, который концентрируется вследствие охлаждения газа или специально впрыскивается в него для вымывания NH3. В обоих случаях получают так называемую слабую, или скрубберную, аммиачную воду.

Дистилляцией этой аммиачной воды с водяным паром и последующей дефлегмацией и конденсацией получают концентрированную аммиачную воду (18 -- 20% NH3 по массе), которую используют в производстве соды, как жидкое удобрение и др.

Подсмольная вода -- образуется при полукоксовании и газификации твёрдых, горючих ископаемых. Наиболее характерные компоненты: NH3, фенолы, карбоновые кислоты.

Одни из наиболее вредных видов сточных вод. Обезвреживание заключается в выделении из подсмольных вод указанных компонентов и последующей биохимической очистке.

46% всей воды Земли находится в Тихом океане, в Атлантическом -- 23,9, в Индийском -- 20,3, а в Северном Ледовитом -- 3,7%.

В кубическом сантиметре морской воды содержится 1,5 грамма белка и немало других питательных веществ.

Пресная вода составляет всего 3% мировых водных ресурсов, причем непосредственно доступны лишь около 1,5%.

Ученые подсчитали, что Атлантический океан "по питательности" оценивается в 20 тысяч урожаев, собираемых в год на всей суше.

Если бы все люди употребляли в пищу и использовали на корм скоту растительные ресурсы морей и океанов, то пищи было бы достаточно для 290 миллиардов человек.

Ежедневно с поверхности земли испаряется 1 трлн тонн воды.

Средняя температура поверхности воды мирового океана равна 17,4 градуса, в то время как средняя температура нижнего слоя воздуха над мировым океаном равна 14,4 градуса.

Занимая почти 3/4 поверхности земного шара, океан служит мощным и постоянно действующим фактором обогревания нижних слоев атмосферы и смягчения климата земного шара.

В стакане воды содержится около 8 септилионов молекул.

ПРИМЕНЕНИЕ ВОДЫ

1. Земледелие.

Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

2. Питьё и приготовление пищи.

Живое человеческое тело содержит от 50 % до 75 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т. д. человеку нужно выпивать разное количество воды. Ведётся много споров о том, сколько воды нужно потреблять для оптимального функционирования организма.

Питьевая вода представляет собой воду из какого-либо источника, очищенную от микроорганизмов и вредных примесей. Пригодность воды для питья при её обеззараживании перед подачей в водопровод оценивается по количеству кишечных палочек на литр воды, поскольку кишечные палочки распространены и достаточно устойчивы к антибактериальным средствам, и если кишечных палочек будет мало, то будет мало и других микробов.

Если кишечных палочек не больше, чем 3 на литр, вода считается пригодной для питья.

3. Растворитель.

Вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки, как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.

4. Теплоноситель.

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку.

В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

5. Замедлитель.

Во многих ядерных реакторах вода используется не только в качестве теплоносителя, но и замедлителя нейтронов для эффективного протекания цепной ядерной реакции. Также существуют тяжеловодные реакторы, в которых в качестве замедлителя используется тяжёлая вода.

6. Пожаротушение.

В пожаротушении вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции огня от воздуха в составе пены.

7. Спорт.

Многими видами спорта занимаются на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже под водой. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и др.

8. Инструмент.

Вода используется как инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов. Она используется в добывающей промышленности, горном деле и в производстве. Достаточно распространены установки по резке водой различных материалов: от резины до стали.

Вода, выходящая под давлением несколько тысяч атмосфер способна разрезать стальную пластину толщиной несколько миллиметров, или более при добавлении абразивных частиц.

Рис. 6. Гидроабразивная резка.

9. Смазка.

Вода применяется как смазочный материал для смазки подшипников из древесины, пластиков, текстолита, подшипников с резиновыми обкладками и др. Воду также используют в эмульсионных смазках.

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ

1. В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды.

2. В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем количество воды в Мировом океане.

3. При средней глубине в 3,6 км Мировой океан покрывает около 71 % поверхности планеты и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды.

4. Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю слоем толщиной 3 км.

5. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды в земных океанах поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.

6. Морская вода при обычной её солёности 35 ‰ замерзает при температуре ?1,91 °C.

7. Иногда вода замерзает при положительной температуре.

8. При определённых условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

9. Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег -- около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.

10. Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.

11. С помощью капель воды из кранов можно создать напряжение до 10 киловольт, опыт называется «Капельница Кельвина».

12. Вода -- это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую (кроме воды, таким свойством обладают сурьма, висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси).

13. Вода и водяной пар горят в атмосфере фтора фиолетовым пламенем. Смеси водяного пара с фтором в пределах взрывчатых концентраций взрывоопасны. В результате этой реакции образуются фтороводород и элементарный кислород.

14. Загрязненные подземные воды очищаются в течение нескольких тысячелетий.

15. Питьевая вода скоро станет ценнее нефти и газа.

К 2025 году около половины населения планеты будет испытывать проблемы с водой, а к 2040 году такой товар, как питьевая вода, превзойдет по степени важности нефть и природный газ. Такой прогноз высказал ИТАР-ТАСС на завершившейся двухдневной сессии Экономического и экологического форума ОБСЕ заместитель руководителя Росприроднадзора Олег Митволь.

вода газообразный природный хозяйственный



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вода применяется во всех областях хозяйственной деятельности человека. Практически невозможно назвать какой-либо производственный процесс, в котором не использовалась бы вода. В связи с бурным развитием промышленности, ростом населения городов расход воды увеличивается.

Первостепенное значение приобретают вопросы охраны водных ресурсов и источников от истощения, а так же от загрязнения сточными водами. Всем известно, какой ущерб наносят сточные воды обитателям водоёмов. Ещё страшней для человека и всего живого на Земле появление в речных водах ядохимикатов, смываемых с полей. Так наличие в воде 2,1 части пестицида (эндрина) на миллиард частей воды достаточно для гибели всех находящихся в ней рыб.

Огромную угрозу для человечества представляют сбрасываемые в реки неочищенные стоки населенных пунктов. Эта проблема решается путём сознания таких технологических процессов, в которых отработанная вода не сбрасывается в водоёмы, а после очистки снова возвращается в технологический процесс.

В настоящее время уделяется огромное внимание охране окружающей среды и в частности естественных водоёмов.



СПИСОК ИСПЛОЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хомченко Г.П. , Химия для поступающих в ВУЗы. Москва, 1995 г.

2. Прокофьев М.А., Энциклопедический словарь юного химика. Москва, 1982 г.

3. Глинка Н.Л., Общая химия. Ленинград, 1984 г.

4. Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва, 1992 г.

5. Петрянов И.В., Самое необыкновенное вещество в мире. Москва, 1975 г.

6. О некоторых вопросах поддержания качества воды и её самоочищения. Водные ресурсы. 2000 г.

Размещено на Allbest.ru