Физика воды. Значение воды для жизни на Земле

Кубанский Государственный  Аграрный Университет.

 

 

Кафедра общей биологии и  экологии.

 

 

 

 

 

Реферат

Физика воды. Значение воды для жизни на Земле.

 

                                                                                          

 

Выполнила студентка УП-1303

Порошина Л.А.

Проверил преподаватель

Скрипка Л.Ф.

 

 

Краснодар 2013

 

Оглавление 

1. Введение………………………………………………………………………3                                                                                                   
2. Физические свойства воды…………………………………………………..3
3. Вода и измерения……………………………………………………………..7
4. Жесткость воды……………………………………………………………….9
5. Тяжелая вода…………………………………………………………………11
6. Лед и его свойства…………………………………………………………...15
7. Вода в природе…………………………………………………………........17
8. Виды воды…………………………………………………………………....19
9. Значение воды для жизни на Земле………………………………………...21
10. Список используемой литературы……………………………………........23

 

 

 

 

Введение.

         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.     

Ученые правы: нет на Земле  вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.                                                                                                                               

Почти 60% поверхности нашей  планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом  – покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Почти 70% пресных вод заключено в  ледниковых покровах полярных стран  и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего  лишь 0,006% пресных вод.  
Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Вода имеет очень большое  значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным  представлениям, само происхождение  жизни связывается с морем. 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 – единственное вещество на Земле, которое существует в природе  во всех трех агрегатных состояниях –  жидком, твердом и газообразном. 

 

Физические свойства воды:

 Плотность воды и льда.

Жизненно важной для всей биосферы является способность воды при замерзании уменьшать, а не увеличивать  свою плотность (как это происходит почти со всеми остальными веществами). Впервые на это необычное свойство воды обратил внимание еще Г. Галилей. В самом деле, при переходе жидкости в твердое состояние молекулы вещества как будто должны располагаться  теснее, а само вещество должно становиться, плотнее. Обычно вещества так и ведут  себя. Но вода представляет исключение. Если взять обычную воду и, постепенно охлаждая ее, следить за изменением плотности то можно заметить,   что в начале будет происходить совершенно обычный и естественный процесс - вода становится при охлаждении все плотнее и плотнее, и никаких отклонений от нормы мы не увидим до тех пор, пока не охладим воду до 4 °C. Ниже этой температуры вопреки общим представлениям вода вдруг становится легче, а замерзая она делается еще легче и образует лед, который плавает по поверхности воды. Замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Это расширение может оказаться роковым для водопровода в случае наступления неожиданных морозов. Вода, замерзая в трубах, разорвет их.

Именно эта особенность  воды, как известно предохраняет от сплошного промерзания в суровые зимы озера и пруды и тем самым спасает жизнь в этих водоемах. Осенний воздух охлаждает поверхностные слои озера, они становятся тяжелее и опускаются на дно. Озеро охлаждается. Но этот процесс идет лишь до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 °C. Если теперь поверхностные слои станут еще холоднее, то они уже не опускаются на дно, так как плотность этих слоев меньше плотности глубинной воды, где сохраняется температура 4 °C. Отличия в плотности не велики - эти отличия проявляются лишь в четвертом знаке после запятой, - но этих отличий вполне достаточно, чтобы вода с температурой, близкой к 0 °C не могла проникнуть в глубину озера. Процесс охлаждения поверхностных слоев пойдет теперь быстрее и вскоре свинцовая гладь озера закроется первым хрупким льдом. Лед - плохой проводник тепла, надежно спрячет от страшных зимних морозов жизнь озера. Такой циркуляцией объясняется, почему на более мелких участках озера лед образуется раньше и в последствии он толще.

Разницей в температурах верхних и нижних слоев воды пользуются при работе земснарядов в зимних условиях. При помощи насосов из более глубоко части водоёма  накачивают воду в поверхностные  слои, чем предупреждают образование  льда у работающего агрегата.

А вот морская вода (представляющая собой, как известно, рассол, в каждом  литре которого содержится около 35 граммов солей) при охлаждении ведет себя совсем по-иному: наибольшая плотность у нее отмечается при более низких температурах, чем у пресной, а именно при -3,5 °C. Но замерзает морская вода при -1,9 °C, т.е. она превращается в лед не достигая максимальной плотности.

Если при плавлении  льда объём полученной жидкости меньше, чем объём взятого льда, то можно  сделать предположение, что переход  льда в жидкое состояние будет  облегчён, если лёд подвергнуть давлению, т.е. сближению кристаллов между  собою. В самом деле, если оказать  на лёд высокое давление, то температура  плавления его понижается. Так, под  давлением в 2045 атм (на 1 см²) лёд будет плавиться при температуре -22 °C. Дальнейшее повышение давления уже не снижает температуры плавления, так как образуются новые формы льда с новыми свойствами. Способностью льда таять при более низкой температуре под большим давлением объясняется и то, что у ледников, толщина которых громадна, таяние у основания начинается раньше чем на поверхности. 

                                                                                                                                          Молекула воды.

Молекула воды состоит  из одного атома кислорода и двух атомов водорода (H₂O). Схематично строение молекулы воды можно изобразить так:

Молекула воды является так  называемой полярной молекулой, потому что ее положительный и отрицательный  заряды не распределены равномерно вокруг какого-то центра, а размещены асимметрично, образуя положительный и отрицательный  полюсы. Рисунок показывает в чрезвычайно  упрощенном виде, как присоединены два атома водорода к одному атому  кислорода, образуя молекулу воды.

Угол отмеченный на рисунке и расстояние между атомами зависит от агрегатного состояния воды (подразумеваются равновесные параметры, т.к. имеют место постоянные колебания). Так в парообразном состоянии угол равен 104° 40', расстояние O-H - 0,096 нм; во льду угол - 109° 30', расстояние O-H - 0,099 нм. Различие параметром молекулы в парообразном (свободном) состоянии и во льду вызвано влиянием соседних молекул. Также влиянию подвержены и молекулы в жидкой фазе, в которой помимо влияния соседних молекул воды существует сильное влияние растворенных ионов других веществ.

История определения  состава молекулы воды.

Начиная с истоков химии учёные в продолжение довольно большого периода времени считали воду простым веществом, так как она не могла быть разложена в результате тех реакций, которые были известны в то время. Кроме того, постоянство свойств воды как бы подтверждало это положение.

           Весной 1783 г., Канендиш в своей кембриджской лаборатории работал с недавно открытым "жизненным воздухом" - так в то время называли кислород, и "горючим воздухом" (так называли водород). Он смешивал один объем "жизненного воздуха" с двумя объемами "горючего воздуха" и пропускал через смесь электрический разряд. Смесь вспыхивала, и стенки колбы покрывались капельками жидкости. Исследуя жидкость, ученый пришел к выводу, что это чистая вода. Ранее подобное явление описал французский химик Пьер Макер: он ввел в пламя "горючего воздуха" фарфоровое блюдце, на котором образовались капельки жидкости. Каково же было удивление Макера, когда он исследовал образовавшуюся жидкость, и обнаружил что это вода. Получался какой-то парадокс: вода, гасящая огонь, сама образуется при горении. Как мы теперь понимаем, происходил синтез воды из кислорода и водорода:

H₂ + O₂ → 2H₂O + 136,74 ккал.

В обычных условиях эта  реакция не идет, и чтобы водород  стал активен, нужно повысить температуру  смеси например с помощью электрической искры, как в опытах Кавендиша. Генри Кавендиш располагал достаточными данными, чтобы установить, в каких пропорциях входит кислород и водород в состав воды. Но он этого не сделал. Возможно, ему помешала глубокая вера в теорию флогистона, в рамках которой он пытался интерпретировать свои эксперименты.

Весть об опытах Кавендиша  достигла Парижа в июне того же года. Лавуазье сразу же повторил эти опыты, затем провел целую серию подобных экспериментов и через несколько  месяцев 12 ноября 1783 г. в день святого  Мартина доложил результаты исследований на традиционном собрании Французской  академии наук. Любопытно название его доклада, характерное для  всей той несуетливой педантичной  эпохи великих открытий естествознания: "О природе воды и экспериментах, по-видимому, подтверждающих, что это  вещество не является, строго говоря, элементом, а может быть разложено и образовано вновь". Доклад был встречен горячими возражениями - данные Лавуазье явно противоречили  уважаемой и популярной в то время  теории флогистона. Он сделал правильный вывод, что вода образуется при соединении "горючего газа" с кислородом и  содержит (по массе) 15% первого и 85% второго (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Через два года Лавуазье вновь вернулся к опытам с водой. Академия наук поставила перед Лавуазье практическую задачу - найти дешевый  способ получения водорода как самого легкого газа для нужд нарождающегося воздухоплавания. Лавуазье привлек  к работе военного инженера, математика и химика Жана Мёнье. В качестве исходного вещества они выбрали воду - вряд ли можно было отыскать сырье дешевле. Зная, что вода - это соединение водорода с кислородом, они пытались найти способ отнять от нее кислород. Для этой цели годились различные восстановители, наиболее же доступным было металлическое железо. Из реторты-кипятильника водяные пары поступали в раскаленный докрасна на жаровне ружейный ствол с железными опилками. При температуре красного каления (800 °С) железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑

Образовавшийся при этом водород собирался, а не прореагировавшие водяные пары конденсировались в  холодильнике и отделялись в виде конденсата от водорода. Из каждых 100 гран воды получалось 15 гран водорода и 85 гран кислорода (1гран = 62,2мг). Эта работа имела и важное теоретическое  значение. Она подтвердила ранее  сделанные выводы (из опыта по сжиганию водорода в кислороде под колоколом), что вода содержит 15% водорода и 85% кислорода (современные данные - 11,19% и 88,81%).

Исходя из того, что "горючий  воздух" участвует в образовании  воды, французский химик Гитон де Морво в 1787 г. предложил назвать его Hydrogene (от слов гидро- вода и геннао-рождаю). Русское слово "водород", т.е. "рождающий воду", является точным переводом латинского названия.

Жозеф Луи Гей-Люссак и  Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем  кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. В 1842 г. Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водород и кислорода в воде как 2:16.

Однако в силу того что  с атомными массами элементов  в первой половине XIX века было много  неразберихи и эта обстановка еще больше осложнилась в связи  с введением понятия "эквивалентный  вес", то долгое время формула  воды записывалась в самых различных  вариантах: то как HO, то как H₂O и даже H₂O₂. Об этом писал Д.И. Менделеев: "В 50-х годах одни принимали O=8, другие O=16, если H=1. Вода для первых была HO, перекись водорода HO₂, для вторых, как ныне, вода H₂O, перекись водорода H₂O₂ или HO. Смута, сбивчивость господствовали...".

После Международного конгресса  химиков в Карлсруэ, состоявшегося  в 1860 году, удалось внести ясность  в некоторые вопросы, сыгравшие  заметную роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярной теории, а следовательно, и в правильном толковании атомарного состава воды. Была установлена единая химическая символика.