Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

Можно было бы предполагать, что атом кислоро­да и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше — всего 104° 27' (рис. 2), что приводит к не­полной компенсации внутримолекулярных сил, избы­ток которых обусловливает асимметрию распределе­ния зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворе­ния водой различных веществ. При 0°С диэлектриче­ская проницаемость воды (в твердой фазе) состав­ляет 74,6; с повышением температуры она падает. Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81.

Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвен­ных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное об­лако, зависящее от энергетического состояния элект­рона (рис.2).

1.2  
Плотность.

Несмотря на то что вода — вещество, принятое в качестве   эталона   меры плотности, объема и т. д. для других веществ, сама вода, как это не странно, является самым аномаль­ным среди них. Этих удивительных аномалий у воды много, рассмотрим лишь основные из них.

Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и умень­шают плотность. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4°С, когда с воз­растанием температуры объем воды не увеличивает­ся, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечается при 4°С (рис. 3). Таким образом, для воды зависимость между объемом и температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), а двузначна. Например, при 3 и 5°С мас­са воды занимает один и тот же объем, так же как и при 0, 2 и 8 °С и т. д. Несмотря на указанную ано­малию, вода служит эталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.

Что же будет происходить с объемом воды при дальнейшем понижении температуры? Оказывается, что ниже 0°С он продолжает увеличиваться, но толь­ко при условии переохлаждения. Однако переохлаж­дение требует исключительных условий: полной непо­движности воды и отсутствия центров кристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.) (рис. 4).

Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлаждена до минус 70 °С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введении льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращается в лед и температура ее под­скакивает (на 70 °С) до 0°С. Вода также может быть доведена до 150 °С без закипания. При вве­дении в такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100°С.

При замерзании объем воды возрастает внезапно примерно на 11% и так же внезапно, скачком, умень­шается в обратном направлении при таянии льда при

превращении ее в лед происходит расширение объема, что приводит к возникновению избыточного давле­ния, достигающего, как  показывают наблюдения, 2500 кгс/см2. Именно этим объясняются как разру­шительная сила замерзающей воды в замкнутых пус­тотах, трещинах горных пород, откалывающая подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкие осколки, так и страшные взрывы наледей, описание которых будет приведено ниже, а также разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.

Здесь следует сделать одну существенную оговор­ку. Все рассмотренные выше процессы происходят при указанных температурах лишь при условии абсолют­ного давления, равного 1 атм. С увеличе­нием давления температура замерзания воды пони­жается примерно на 1 °С через каждые 130 атм. Так, при давлении 500 атм замерзание наступает при температуре минус 4 °С, а при давлении 2200 атм — при минус 22 °С. Эта зависимость для воды аномаль­на, так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. По­добная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учета растворенных в воде солей на больших глубинах в океане вода не замерзает, например при температуре минус 3°С она не замерзнет даже на глубине около 4000 м, а на больших глубинах тем более.

С повышением температуры жидкой воды ее плот­ность понижается: на интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точки кипения воды 100 "С—на 4% (от 1 до 0,95838).

С повышением минерализации воды (т. е. коли­чества содержащихся в ней минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеет максимальную плотность. Так, на поверхности Миро­вого океана плотность воды 1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Таким обра­зом, установившееся мнение о практической несжи­маемости воды справедливо только для сравнительно малых давлений. Если бы вода была совершенно не­сжимаема, уровень океана поднялся бы на 30 м.

В этом случае большая часть Ленинграда, например, была бы затоплена.

Важным обстоятельством в природе является то, что максимальная плотность воды, как отмечалось выше, наблюдается при 4 °С, а лед оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверх­ности. Если бы этого не было, то водоемы и водо­токи промерзали бы зимой до самого дна, что было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенность воды при некоторых усло­виях имеет исключения. Речь идет о возможности образования донного или внутриводного льда, о чем подробнее будет сказано в разделе о поверхностных водах.

1.3   Точки кипения и замерзания (плавления).

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает (рис. 5). Это свойство воды раньше использовалось для определе­ния высоты местности в горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.

Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды, с повыше­нием давления она падает (но только до давления 2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380 атм—при 0°С, при 16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В последних двух случаях мы уже имеем горячие льды. Возможно ли существова­ние в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно циркулирующих в породах Земли водах, безусловно, нет, так как даже на гра­нице нижней литосферы и верхней мантии, называе­мой границей Мохоровичича (как мы увидим из даль­нейших глав), где давление приблизительно 10000 атм, температура никак не может быть равна 30 "С,

а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего льда здесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исклю­чаются давления выше 6000 атм, которые необходи­мы для образования горячего льда.

При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения воды (соответственно 0 и 100°С). Если взять ряд соединений водорода с эле­ментами группы Via периодической системы Мен­делеева — Н2Те, H2Se H2S и H2O — с учетом их относительной молекулярной массы, то окажется, что точки замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса, тем выше точки кипения и замерзания. Точ­ка замерзания воды должна была бы находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она приходится на ±0 °С. То же самое можно ска­зать о точке кипения воды, которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).

При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительной температуре. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по нему газ (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода. Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед» содержит много газа (газогидрат).

Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необык­новенным.

1.4   Теплота плавления.

 Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, не очень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока — около 80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа — 6, серы—9,5 и свинца—5,5 кал/г). Как же проявля­ется эта аномалия? Лед при давлении 1 атм может иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Каза­лось бы, чем ниже температура льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы растопить его. Этот вывод как будто настолько естествен, что не­посвященный в физику тепла вряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод не бесспорен. Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота плавления составит не 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и довольно неожи­данная аномалия. С каждым градусом понижения температуры льда теплота плавления уменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это тем, что удельная теплоемкость у льда меньше, чем у воды.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6