Скачать презентацию СВОЙСТВА ВОДЫ 1 В 1766 г английский физик Скачать презентацию СВОЙСТВА ВОДЫ 1 В 1766 г английский физик

Лекция IV Свойства воды.ppt

  • Количество слайдов: 17

СВОЙСТВА ВОДЫ 1. В 1766 г. английский физик и химик Генри Кавендиш (1731 -1810) СВОЙСТВА ВОДЫ 1. В 1766 г. английский физик и химик Генри Кавендиш (1731 -1810) впервые показал, что вода представляет собой не единый неделимый химический элемент, а является соединением водорода с кислородом в определенных весовых соотношениях. 2. Величину этих соотношений установили в 1783 г. французские химик Антуан Лоран Лавуазье (1743 -1794) и математик Жан Батист Мари Шарль Мёнье (1754 -1793). 3. С тех пор один из химических элементов, входящих в состав воды, обозначаемый как «Н» , получил название «водород» – «Hydrogen» (от греч. hydro genes – порождающий воду). 4. На протяжении последующих более чем двухсот лет вплоть до наших дней свойства и поведение воды остаются все еще «не всегда до конца прогнозируемыми» . «практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами»

АНОМАЛИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ 1. При нагревании жидкой воды от 0 до +350 С, АНОМАЛИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ 1. При нагревании жидкой воды от 0 до +350 С, ее удельная теплоемкость, в отличие от «нормальных» веществ (кроме ртути), постепенно уменьшается. 2. Теплоемкость воды в 5 -30 раз выше, чем у других веществ (кроме водорода и аммиака). ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ: А. Нормальная температура тела человека 37 ОС и не зависит от окружающей. Б. Вода нагревается в 5 раз медленнее, чем песок, но при этом она во столько же раз дольше сохраняет тепло В. Среднемесячная температура января в Мурманске – 100 С, а в Верхоянске, лежащем южнее по широте, она ниже на 390 С Г. Среднегодовая температура поверхности всего Мирового океана составляет 17. 820 С – на 3. 60 выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли Д. «Термический экватор» , по причине ассиметричного расположения материков, проходит севернее географического экватора. Е. Объем льда в южном полушарии примерно в 9 раз больше, чем в северном

3. Максимальная плотность воды наблюдается при температуре 40 С (точнее 3. 980). При дальнейшем 3. Максимальная плотность воды наблюдается при температуре 40 С (точнее 3. 980). При дальнейшем охлаждении ее плотность падает, а объем растет. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ А. Лед не тонет и спасает обитателей водоемов от замерзания. Б. Замерзание воды происходит внезапно скачкообразно, при этом ее плотность резко снижается более, чем на 8%, а объем также резко возрастает примерно на 11%. Г. В замкнутом пространстве избыточное давление, возникающее при замерзании воды, может достигать 2. 5 т/см 2. В итоге - формируются россыпные месторождения полезных ископаемых; твердые вещества и микроэлементы, содержащиеся в породах, растворяются в воде и входят в состав плодородных почв; рождаются специфические ландшафты и типы морских берегов. Д. При отсутствии центров кристаллизации в полной неподвижности вода может охлаждаться, не замерзая, до минус 700 С (!). При аналогичных идеальных условиях воду можно нагреть до 1500 С без закипания, но в этом случае достаточно одного пузырька воздуха, чтобы температура воды понизилась до 1000 С и она мгновенно вскипела.

4. Скрытая удельная теплота плавления воды (80 кал/г) выше, чем у твердых элементов: железа 4. Скрытая удельная теплота плавления воды (80 кал/г) выше, чем у твердых элементов: железа (6 кал/г), серы (9, 5 кал/г), свинца (5, 5 кал/г) ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ: Глобальная устойчивость климатических условий на Земле. Именно потому, что большой объем воды трудно быстро заморозить, а огромные ледники тают достаточно медленно, наша планета застрахована от резких последствий подобного рода катастроф.

5. Температура замерзания воды при росте давления до 2200 атм. , в отличие от 5. Температура замерзания воды при росте давления до 2200 атм. , в отличие от других веществ, понижается – абсолютная величина значения температуры повышается примерно на 10 С при росте давления на 130 атм. Дальнейший рост давления выше 2200 атм. сопровождается нормализацией поведения воды. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ: При давлении 500 атм. вода замерзает при минус 40 С, а при 2200 атм. – при минус 220 С. Эта аномалия может спасти жизнь многим обитателям морских глубин. В водах Северного Ледовитого океана (Евразийская котловина), например, благодаря такому свойству, на глубине 4290 м (давление 430 атм. ), вода, даже без учета эффекта растворенных в ней солей, не может гипотетически замерзнуть при -30 С. В океанских же водах вокруг Антарктиды - котловины Вальдивия (5872 м), Нокса (5455 м), Беллинсгаузена (6414 м), природа предусмотрела гипотетическое охлаждение без замерзания до температур минус 4 -50 С. Точка замерзания воды при 3530 атм. повышается до минус 170 С, при 6380 атм. - до 00 С, при 16500 атм. - до +600 С, а при 22670 атм. – до +760 С.

6. Точки замерзания (00 С) и кипения (1000 С) воды также оказываются аномальными – 6. Точки замерзания (00 С) и кипения (1000 С) воды также оказываются аномальными – не соответствуют ее молекулярной массе. У гидридов (соединение элемента с водородом) - легких трехатомных молекул аналогичных воде (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te) точки кипения и замерзания повышаются по мере роста относительной молекулярной массы. Если бы вода была «нормальной» материей, подобно своим гомологам трехатомным соединениям водорода, то ее точка замерзания, как самого маленького по массе гидрида, составляла бы примерно минус 900 С, а кипения - около минус 750 С.

КОГЕЗИЯ (лат. cohaesus – связанный, сцепленный) - способность пограничных молекул любой жидкости самоуплотняться, образуя КОГЕЗИЯ (лат. cohaesus – связанный, сцепленный) - способность пограничных молекул любой жидкости самоуплотняться, образуя на поверхности пленку натяжения. Самая плотная пленка поверхностного натяжения - у ртути. Чтобы ее разорвать нужно приложить усилие 500 дин/см. Вода стоит на втором месте по этому показателю среди жидкостей (72 дин/см). У спирта, ацетона, бензина величины поверхностного натяжения (22, 24 и 29 дин/см соответственно) почти в три раза ниже, чем у воды. Экологические последствия Вода может удерживать на своей поверхности тела в 8 раз (!) тяжелее себя. Для разрыва столбика чистой воды диаметром 2. 5 см нужно усилие 95 тонн (!). Если сечение столбика реальной (не совсем чистой) воды 6. 5 см 2 то для его разрыва, нужно усилие в 1 тонну (как для стали). ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

АДГЕЗИЯ (лат. adhaesio – прилипание) способность воды вопреки силам гравитации, подниматься вверх без видимой АДГЕЗИЯ (лат. adhaesio – прилипание) способность воды вопреки силам гравитации, подниматься вверх без видимой причины по капиллярам (узким стеклянным трубкам) ПОСЛЕДСТВИЯ: Молекулы воды смачивают стекло капилляра, прилипая к его поверхности и образуя вогнутый мениск. Ртуть таким свойством не обладает, поэтому мениск у ртутных термометров не вогнутый, а выпуклый. При температуре 15 С высота капиллярного подъема в крупном песке в течение 5 -10 суток может составить 2 м, а в глине – 12 м за 16 месяцев. Так аридные зоны обеспечиваются грунтовыми водами.

ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ (ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ) У воды при повышении температуры от 0 до 100 С ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ (ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ) У воды при повышении температуры от 0 до 100 С этот показатель снижается более, чем в 6 раз (у ртути – всего в 1. 4 раза), а вязкость водяного пара в 180 раз меньше, чем у воды при той же температуре. ПОСЛЕДСТВИЯ: Повышение давления при температурах ниже 300 С, опять же - в отличие от “нормальной” материи, уменьшает вязкость воды и увеличивает ее при температурах выше 300 С. Это качество определяет способность (скорость) фильтрации жидкости через пористые среды (особенно важно в пустынях и в процессе мобилизации вод литосферы).

ПОВЕДЕНИЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ В 1930 -х гг. во Флоренции Дж. Пиккарди после 10 ПОВЕДЕНИЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ В 1930 -х гг. во Флоренции Дж. Пиккарди после 10 лет ежедневных экспериментов доказал, что в воде скорость оседания мельчайших твердых частиц зависит от состояния Солнца - интенсивности электромагнитного излучения. Этот вывод был подтвержден результатами более 250 тысяч (!) аналогичных экспериментов, проведенных параллельно в разных странах мира. ПОСЛЕДСТВИЯ: С 1945 г. в паровых котлах применяют намагниченную воду, предохраняющую их от накопления накипи. Бетон в намагниченной воде затвердевает не за 28, а за 7 дней, при одновременном росте его прочности на 45% и сокращении расхода цемента на 16%. Скорость слипания (коагуляция) мелких частиц в такой воде растет на 20 -90%, ускоряются и усиливаются ее адсорбционные способности (уплотнение частиц активных веществ на твердых поверхностях и на границе вода-воздух), в 10 -100 раз быстрее растворяются твердые тела и газы. Объяснение природы этих чудес пока остается на уровне гипотез.

ПРИЧИНЫ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ «из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного ПРИЧИНЫ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ «из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определенного поведения электронов в молекуле и т. п. » .

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ Чистая вода оказывается практически мало изученной чрезвычайно гибкой, изменчивой равновесной структурной СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ Чистая вода оказывается практически мало изученной чрезвычайно гибкой, изменчивой равновесной структурной смесью пара, льда и жидкости. 1. В нормальных условиях простая молекула H 2 O, состоящая из одного атома кислорода и двух атомов водорода, представляет собой газ. 2. Быть воде – водой позволяет у свойство этих трехатомных молекул в процессе физического взаимодействия объединяться в группы – кластеры (H 2 O)Х, не теряя в этом ансамбле своей индивидуальности ВОДА - сложное химическое вещество, «Среди всех веществ, изучаемых физиками и физико-химиками, вода во многих отношениях является самым трудным» . Академик В. В. Шулейкин (1885 -1979) состоящее из повторяющихся кластеров, содержащих от 3 до 6 одиночных молекул H 2 O. Действительная формула воды имеет вид среднего между Н 6 О 3 и Н 12 О 6.

СТРУКТУРА КЛАСТЕРОВ ВОДЫ 1. Устойчивость «сцепки» отдельных молекул воды в кластере обеспечивают водородные связи СТРУКТУРА КЛАСТЕРОВ ВОДЫ 1. Устойчивость «сцепки» отдельных молекул воды в кластере обеспечивают водородные связи - результат электростатического взаимодействия между отрицательным зарядом кислорода одной молекулы воды и частичным положительным зарядом водорода соседней молекулы. 2. Благодаря водородным связям, каждая молекула воды стремится связаться с четырьмя соседними родственными молекулами. Некоторые ученые полагают, что у льда, например, атомы в кластере молекул располагаются в форме тетраэдра, а у жидкой воды формы водородных связей другие. 3. Единой модели структуры воды пока не существует. 4. Водородные связи между молекулами воды в 24 раза слабее, чем связи между атомами кислорода и водорода в самой молекуле. Они начинают распадаться при температуре 6. «К сожалению, науки о воде не могут 100 С и полностью разрушаются при похвастаться большими успехами в разгадке нагревании водяного пара до 600 С. особенностей структуры воды. До настоящего времени мы обладаем на этот 5. При таянии льда тетраэдры начинают счет лишь более или менее распадаться, но в каком количестве и с какой скоростью – пока неизвестно. По правдоподобными гипотезами, еще далекими от превращения их в общепринятую теорию разным гипотезам при плавлении льда разрывается от 11 до 50% водородных воды, которая объяснила бы все ее связей, а некоторые полагают, что таких аномальные особенности и более чем разрывов не происходит вообще. странное поведение» .

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ КЛАСТЕРНОГО СТРОЕНИЯ ВОДЫ 1. Сложные молекулы пара (Н 2 О), воды (Н ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ КЛАСТЕРНОГО СТРОЕНИЯ ВОДЫ 1. Сложные молекулы пара (Н 2 О), воды (Н 2 О)2 и льда (Н 2 О)3, находятся в описанных кластерах в подвижном равновесии. В воде все время происходит переход молекул чисто воды в молекулы льда и наоборот, при этом их соотношение при любой температуре остается постоянным. Разделить кластер на отдельные молекулы, сегодня невозможно. 2. Если бы вода при испарении оставалась в виде кластера, содержащего только молекулы жидкости (Н 2 О)2, то пар был бы тяжелее воздуха, состоящего в основном из молекул азота и кислорода. Планета оказалась бы в условиях постоянного густого тумана. Но при испарении кластеры воды распадаются и она превращается в легкий газ Н 2 О. 3. После замерзания воды «грязь» остается в воздухе и жидкости. Даже в покрытом смогом небе, грязной луже или соленом море снежинки блестят белизной, льдинки оказываются прозрачными, а айсберги химически чистыми, так как при образовании кристаллов вещества самоочищаются. 4. Лед и снег, обладая высокой отражательной способностью, предохраняют полярные области Земли от чрезмерного перегрева и, соответственно, катастрофического сезонного таяния ледников.

После обработки спектров поглощения молекулы воды в парообразном состоянии ученые РНЦ «Курчатовский институт» установили, После обработки спектров поглощения молекулы воды в парообразном состоянии ученые РНЦ «Курчатовский институт» установили, что она имеет симметричную Vобразную форму так как два атома водорода располагаются с одной стороны от более крупного атома кислорода. При этом оказалось: - длины связей между атомами О-Н и Н-Н и валентный угол в молекуле пара составляют 0. 096, 0. 152, 104. 5 , а в молекуле льда - 0. 100, 0. 163, 109. 5 , а соотношение длин этих связей – 0. 631 и 0. 613. - из-за неустойчивой структуры молекулы жидкой воды экспериментальное определение для нее аналогичных параметров сегодня «встречает непреодолимые трудности» . Гипотеза: геометрия молекулы жидкой воды (особенно талой) на плоскости близка к первому золотому треугольнику с углом при вершине 108 и соотношением связей О-Н и Н-Н равным 0. 618 (золотой пропорции). То есть молекула жидкой воды близка к соответствию, а молекула талой воды соответствует законам красоты и гармонии.

1. В природе практически нет веществ совсем ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И нерастворимых в воде. СОСТАВ 1. В природе практически нет веществ совсем ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И нерастворимых в воде. СОСТАВ МОРСКОЙ ВОДЫ 2. Морская вода представляет из себя очень разбавленный, а потому почти полностью ионизированный, нейтральный раствор практически всех известных природных твердых химических веществ. Кроме того, в ней также растворены газы - кислород, азот, углекислый газ, инертные газы и в некоторых застойных районах – сероводород, а также органическое вещество. Основные катионы: Na, Mg, Ca Основные анионы: хлориды, сульфаты 3. Соотношение основных химических компонентов в морской воде и в крови человека практически одинаковы.

В 70 -х годах XVII столетия соавтор известного закона Р. Бойль выполнил первые достоверные В 70 -х годах XVII столетия соавтор известного закона Р. Бойль выполнил первые достоверные измерения содержания суммы солей в воде, взятой с разных глубин океана у побережья Англии, после чего им впервые было высказано предположение о постоянстве солевого состава морской воды. «Приоритетными» элементам для расчета общей солености морской воды выбрали сумму галогенов - хлора, брома, фтора, пересчитанную на концентрацию хлора (хлорность), так как массовая доля галогенов в солевом составе морской воды превышает 55%. . СОЛЕНОСТЬ - условно вычисленная величина, отражающая вес в граммах всех солей, растворенных в 1000 г морской воды, измеряется в десятых процента и обозначается - ‰ промилле Средняя соленость на поверхности: Мировой океан - 34, 84‰. Тихий океан - 34, 56 ‰. Индийский – 34, 68‰. Атлантический - 35, 30‰.