Свойства воды

Введение

Вода – весьма распространенное на Земле вещество. 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.

Почему глубокие озера, моря и океаны даже в самые лютые морозы не промерзают до дна? Ведь обычно при охлаждении вещества становятся тяжелее. Если бы это происходило и с водой, то лед опускался бы на дно водоема, и постепенно вся вода стала бы твердой. Таким образом, все водоемы промерзали бы до самого дна. 

Почему же лед плавает на поверхности воды? К этому все так привыкли, что перестали считать такое поведение воды удивительным. А ведь веществ, которые в твердом состоянии легче, чем жидкие, очень мало.

Журнал “Вокруг света” утверждает: Водой покрыто почти три четверти земной поверхности, но лишь 2,5% от общемирового запаса можно пить. К тому же две трети от этого “мизера” представляют собою лед. А из оставшейся трети большая часть нам достается в виде муссонных дождей, наводнений и прочих бедствий. 

Реально человеку доступно менее 0,08% всего запаса, что, впрочем, покрывает современное водопотребление в мире, составляющее примерно 4130 км3 в год (около 70% имеющейся у нас воды мы используем в сельском хозяйстве). Но Всемирный водный совет полагает, что к 2020 году, чтобы “напоить и прокормить" растущее население планеты, понадобится на 17% воды больше, чем будет в наличии.

Уже сегодня каждый пятый человек не имеет в распоряжении чистой питьевой влаги, а каждый второй имеет только ту, которая не прошла адекватной очистки.

 

1 Свойства воды

“Хотя в мире нет предмета, который был бы слабее и нежнее воды, но она может разрушить самый твердый предмет” Лао-Цзы.

      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. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет цвета, запаха и вкуса.

В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (нагидрофильных поверхностях). Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) — 361,13 млн. км2. 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). Бо́льшая 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.

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.

 

2 Вода и диаграмма состояния воды

Говорят, что вода – единственное на Земле вещество, которое в природе встречается одновременно в трех фазовых состояниях, или просто фазах. Фаза – часть системы, имеющая один и тот же состав, строение и одинаковые свойства. Если в стакане находятся жидкая вода и куски льда, то мы говорим, что это система двухфазная – жидкость и кристаллы. Причем, несмотря на то, что куски льда разделены жидкой водой, весь лед считается одной кристаллической фазой. Число фаз и сама система зависят от того, что рассматривает исследователь. Если важно рассмотреть взаимодействие жидкой воды, льда и газа (пар), то в этом случае система будет трехфазной. Более того, в качестве фазы можно рассматривать стеклянные стенки стакана, и тогда система – четырехфазная. Следовательно, число фаз системы зависит от варианта ее рассмотрения.

Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом. При обычных условиях вода существует в виде кристаллов (лед), жидкости и газа (пар). Каждая из этих фаз воды устойчива только при определенных сочетаниях температуры и давления. Например, если при атмосферном давлении повысить температуру до 100 °С, то вода закипит и превратится в пар (газ). Если давление будет ниже атмосферного, переход жидкости в пар будет проходить при более низкой температуре. При некоторых низких давлениях вода кипит и при комнатной температуре. Если давление выше атмосферного, то вода закипит при температуре выше 100 °С. Лед плавится при температуре 0 °С и атмосферном давлении, но при изменении давления изменяется и температура плавления льда. 

Таким образом, каждая фаза воды – кристалл, жидкость, газ – устойчива только при определенных температурах и давлениях. Построим график, на котором по вертикальной оси (ось ординат) отложим значения давления, по горизонтальной оси (ось абсцисс) – температуры. Теперь на графике обозначим точки, соответствующие температурам и давлениям, которые использовали для изучения фазовых состояний воды. Эти точки назовем «к», «ж» и «г» (соответственно кристалл, жидкость, газ) в зависимости от фазового состояния воды при данных условиях. В результате получим то, что изображено на рис. 5.10, из которого видно, что он разделен на три части. Каждая часть соответствует существованию воды в кристаллическом, жидком и газовом состояниях.

Рис. 5.10.   Области существования фаз воды  в зависимости от температуры и давления:  к – лед, ж – жидкость, г – газ

Отделим области существования фаз кривыми и получим график, изображенный на рис. 5.11. Это – диаграмма состояния воды. Кривые, проходящие между областями существования фаз, делят диаграмму на поля устойчивости фаз воды – кристаллической, жидкой и газообразной.

Рис. 5.11.  Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси — давление в Па, по горизонтальной — температура в Кельвинах. Отмечены критическая(647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда.

Все три поля имеют единственную общую точку О, отвечающую такому сочетанию температуры и давления, при которых существуют сразу три фазы воды – лед, жидкость и пар. Точка О называется тройной точкой. В ней сходятся три кривые диаграммы. Тройной точке воды отвечает температура 0,0076 °С (273,16 К) и давление водяного пара 6,10•102 Па. Кривые на диаграмме состояния не только разделяют поля, но и выражаются уравнениями, характеризующими переход вещества из одного фазового состояния в другое.

Рассмотрим состояние, когда вещество ноходится в равновесии на границе раздела фаз: жидкость и газ.

Н2О (ж.) = Н2О (г.).

Это равновесие характеризуется константой равновесия, являющейся просто давлением пара воды над жидкой водой:

К = р(Н2О).

Как и любая константа равновесия, давление пара воды при ее испарении зависит от температуры в соответствии с уравнением:

Чтобы вычислить   и  , достаточно составить систему двух уравнений с двумя значениями давления пара воды при двух температурах.

При давлениях ниже давления, отвечающего тройной точке О, лед сразу переходит в пар, не превращаясь в жидкость. Этот процесс называется возгонкой, или сублимацией. Обратный процесс называется конденсацией.

На диаграмме состояния воды есть еще одна особая точка , которой заканчивается кривая зависимости давления пара над жидкостью от температуры. При перемещении по этой кривой в область более высоких температур и давлений свойства газа и жидкости сближаются и наступает критическое состояние, при котором различия между жидкостью и газом исчезают. Этому состоянию отвечают строго определенные критическое давление и критическая температура. Выше критической точки К ни при каких давлении и температуре не происходит разделения на две фазы – жидкость и газ. Критическое состояние вещества открыл Д.И.Менделеев.

В физической химии одним из важнейших и очень сложных с точки зрения вывода является закон равновесия фаз, который также называется правилом фаз Гиббса.

Число степеней свободы С – это число условий, которые можно изменять в определенных пределах без изменения числа и вида фаз.

Число степеней свободы С равновесной термодинамической системы подсчитывается по правилу фаз Гиббса и равно числу компонентов системы К минус число фаз Ф плюс число факторов n, влияющих на равновесие:

С = К – Ф + n.

Компоненты системы – это те ее составные части, которые могут быть выделены из системы и могут существовать в индивидуальном виде. Вода – компонент системы, но ионы воды или другие ионы в водном растворе не считаются компонентами, т. к. не могут быть выделены и не существуют индивидуально. Чистая вода – однокомпонентная система.

Факторы, влияющие на равновесие, – это то, что мы называли раньше условиями существования системы. Для рассмотренной диаграммы состояния воды два фактора влияют на образование и существование фаз – температура и давление, n = 2. Формула правила фаз в этом случае имеет вид:

С = К – Ф + 2.

В большинстве случаев в лабораторной работе проводят эксперименты при постоянном (атмосферном) давлении, поэтому только температура будет играть роль фактора, влияющего на равновесие, т. е. n = 1. Формула правила фаз в этом случае такова:

С = К – Ф + 1.

В последнее время обнаружено влияние электромагнитного и гравитационного полей и многих других факторов на равновесие. Но в обычной научной работе эти факторы не учитываются.

На графике «время – температура» (см. рис. 5.12) плавление льда представлено горизонтальной прямой б, т. к. система не имеет степеней свободы.

Рис. 5.12.  График нагревания воды:  к – лед, ж – жидкость, г – пар

В научной литературе такая горизонтальная линия называется площадкой, она указывает на постоянство температуры в системе и отсутствие степеней свободы.

3 Загрязнение воды

 

3.1 Прямое  и косвенное загрязнение

Природной воде присущи различные загрязнения. Это естественно. Но неестественны и вызывают тревогу объем и состав загрязнений, которые сейчас поступают в реки, озера, моря. Их называют собирательным термином «антропогенные» (от греческого слова «антропос» — человек). Такие загрязнения, от которых ощутимо страдают природные воды, в той или иной мере вызваны деятельностью человека.

Анализируя характер загрязнений и те последствия, которые сказываются на состоянии водных ресурсов, можно выделить два основных типа загрязнений. Назовем их условно прямым и косвенным.

Прямое загрязнение возникает при непосредственном поступлении в реки и водоемы сточных вод. Это могут быть поступления, обусловленные природными процессами, например, талые воды, дождевые стоки. Могут быть специально собранные и сброшенные сточные воды городов и поселков, отдельных предприятий, животноводческих комплексов. Прямые загрязнения наносят значительный ущерб, но источники их поступления обнаруживаются не сразу. Сливные трубы «организованных» стоков нередко находятся далеко от городов, погружены в водоем, рассредоточены на значительной территории.

Косвенные загрязнения более заметны. Примером может послужить вырубка леса по берегам рек, в результате чего берега уже не могут играть роль естественных фильтров и водорегуляторов. При этом нарушается режим многих речных притоков, зачастую имевших родниковое питание. Пересыхают родники, сокращается поступление чистых вод, в итоге ветры беспрепятственно несут в водоемы и реки пыль, сор, а дожди порождают бурные грязевые потоки.

Отрицательно влияет также активное освоение берегов рек и водохранилищ. Беспорядочная застройка берегов, вытаптывание растительности разрушают почвенный покров, что приводит к нарушению всего природного комплекса, истощению и загрязнению водоисточников.

Происходит загрязнение воды и бытовыми отходами, даже если они накапливаются на берегах: с дождями они поступают в реки.

Традиционным источником загрязнения природных вод были и продолжают оставаться хозяйственно-бытовые стоки. Это воды канализации, отходы жизнедеятельности человека.

Объем их не сокращается, а нарастает. И это закономерно. Например, на Украине, по данным 1975 года, в 94% городов и поселков городского типа имелся водопровод. Неизбежно растет и объем сточных вод. Необходимо увеличивать мощность канализации. Поэтому, как правило, наряду с расширением водопроводной сети сооружают и больше канализационных линий: водопровод резко увеличивает возможности потребления, и без канализации соответствующее возрастание объема стоков создало бы затруднительное положение.

Изменяется и состав хозяйственно-бытовых стоков. В них в значительных количествах появляются вещества, которые отличаются от биологических отходов жизнедеятельности человека и от легко усваивающихся природной средой.

3.2 Очистные  сооружения не всесильны

Во всех крупных городах существуют очистные сооружения канализационных вод перед выпуском их в реки и водоемы. Однако, зачастую это старые и маломощные сооружения, которые не справляются с возрастающим объемом стоков.