Реферат: Необычные свойства обычной воды - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Необычные свойства обычной воды

Банк рефератов / Химия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 936 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Содержание Введение 1.Распространение воды на планете Земля . 2.Изотопный состав воды. 3.Строение молекулы воды. 4.Физические свойства воды , их аномальнос ть. 4.1.Аномалия плотности. 4.2.Переохлажденная вода. 4.3.Аномалия сжимаемости. 4.4.Поверхностное натяжение. 4.5.Аномалия теплоемкости. 5.Структура и формы льда. 6.Структура и перестройка структуры воды . 7.Диаграмма состояния воды. 8.Заключение. 9.Литература. Введение Вода в на шей жизни - самое обычное и самое распрост раненное вещество . Однако с научной точки зрения это сама я необычная , самая зага дочная жидкость . Пожалуй , только жидкий гелий может соперничать с ней . Но необычные свойства жидкого гелия (такие , как сверхтеку честь ) проявляются при очень низких температу рах (вблизи абсолютного нуля ) и обусловлены специфическими к вантовыми законами . П оэтому жидкий гелий - это экзотическое веществ о . Вода же в нашем сознании является п рообразом всех жидкостей , и тем более удив ительно , когда мы называем ее самой необыч ной . Но в чем же заключается необычность воды ? Дело в том , что тру д но назвать какое-либо ее свойство , которое не было бы аномальным , то есть ее пове дение (в зависимости от изменения температуры , давления и других факторов ) существенно отличается от такового у подавляющего большин ства других жидкостей , у которых это повед е ние похоже и может быть объя снено из самых общих физических принципов . К таким обычным , нормальным жидкостям относ ятся , например , расплавленные металлы , сжиженные благородные газы (за исключением гелия ), орг анические жидкости (бензин , являющийся их смес ью, или спирты ). Вода и меет первостепенное значение при большинстве химических реакций , в частности и биохимическ их . Древнее положение алхимиков – «тела н е действуют , пока не растворены» – в значительной степени справедливо . Человек и ж ивотные могут в своем ор ганизме синте зировать первичную ("ювенильную ") воду , образовывать ее при сгорании пищевых продуктов и самих тканей . У верблюда , например , жир сод ержащийся в горбу , может путем окисления дать 40 л воды . Связь между водой и жизн ью столь велика , что даже п о зв олила В . И . Вернадскому «рассматривать жизнь , как особую коллоидальную водную систему ... к ак особое царство природных вод». Вода – вещество привычное и необы чное . Известный советский ученый академик И.В.П етрянов свою научно – популярную книгу о воде назв ал “Самое необыкновенное ве щество в мире” . А доктор биологических нау к Б.Ф.Сергеев начал свою книгу “Занимательная физиология” с главы о воде – “Вещес тво , которое создало нашу планету” . Ученые правы : нет на Земле вещества более важног о для нас , чем обык н овенная во да , и в то же время не существует другого такого же вещества , в свойствах ко торого было бы столько противоречий и ано малий , сколько в её свойствах. 1.Распространение воды на планете Земля. Почти ѕ поверхности на шей 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 к илометров , 1 млрд . 338 млн . кубических километров п риходится на долю солёных вод Мирового ок еана , и только 3 5 млн . кубических километров приходится на долю пресных вод . Всего количества океанической воды хватило бы на то , чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров . На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубич еских километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды . Но трудно сть в том , что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком сост оянии , которое делает её труднодоступной для человека . Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных с т р ан 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 межзвёз дном пространстве . Вода входит в состав ко мет , большинства планет сол нечной системы и их спутников . 2.Изотопный состав воды. Атомы водор ода и кислорода , образующие воду , или окис ь водорода , могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своим и физико-химическими свойствами , но при этом они имеют одинаковый электрический зар яд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе элементов одно и то же место . Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называютс я изотопами . Известны пять водородов и пят ь кислородо в . Правда , по два из них ( 4 H, 5 H, 14 O и 15 O ) радиоакт ивны и очень короткоживущи . Например , длительн ость существования водорода – 4 — 4*10 -11 сек . Наиболее ши роко известны следующие изотопы водорода : про тий 1 H ( с относительной атомной мас сой 1), дейтерий 2 H , или D ( c относительной атомной массой 2) и тритий 3 H , или T ( c относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый , но слаборад иоактивный водород ( его период полураспада 12,3 г ода ), и изотопы кислорода : 16 O , 17 O и 18 O . Эти шесть изотопов могут образо вывать 18 изотопических разновиднос тей воды : 1 Н 2 16 О ; 1 Н D 16 О ; D 2 16 О ; 1 Н T 16 О ; DT 16 О ; T 2 О 16 ; 1 Н 2 17 О ; 1 Н D 17 О ; D 2 17 О ; 1 Н T 17 О ; DT 17 О ; T 2 17 О ; 1 Н 2 18 О ; 1 Н D 18 О ; D 2 18 О ; 1 Н T 18 О ; DT 18 О ; T 2 18 О. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтер ия , а в межзвезд очном пространстве оди н атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия . 3.Строение молекулы воды. Молекула воды состоит из двух атомов водорода (Н ) и одного атома кис лорода (О ). Все многообразие свойств воды и необычность их проявления в конечном счете определяются физической природой эт их атомов и способом их объединения в молекулу . В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относ ительно друг друга , что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно кру пным яд р ом кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у осно вания . В молекуле воды имеются четыре полю са зарядов : два отрицательных за счет избы тка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронно й плотности у ядер водорода - протонов . Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обл адает ярко выраженными полярными свойствами ; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай Благодаря этому молекулы воды стремятся нейт рализовать электрическое п оле . Под воздействием диполей воды на пове рхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз . Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде . Этим объ я сняется ее способно сть быть универсальным растворителем. Помогая " контакти рующим с ней молекулам разлагаться на ион ы (например , солям кислот ), сама вода проявл яет большую устойчивость . Из 1 млрд . молекул воды диссоциированными при обычной температуре оказы ваются лишь две , при этом про тон не сохраняется в свободном состоянии , а вероятнее все го входит в состав иона гидроксония . ( Гидроксоний (Н 3 О + ) - это гидратир ованный ион водорода; существует в водных растворах кислот) Вода химически не изменяется под дейст виям большинства тех соедине ний , которые она растворяет , и не изменяет их . Это характеризует ее инертным раствор ителем , что важно для живых организмов на нашей планете , поскольку необходимые их т каням питательные вещества поступают в водных растворах в ср а внительно устойчив ом виде . Как растворитель вода многократно используется , неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах . Молекулы в объеме воды сближаются противоположными з арядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водо рода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недос таточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к ки слороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного о блака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной м олекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседн ими. В такой модели углы ме жду каждой парой линий , соединяющих центр (атом О ) с вершинами , равны 109,5 С . Водородные связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы кислорода и водорода. Микромолекулярная стр уктура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водор одные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, спо собствуя их растворению. Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической систем ы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70 о С, а замерзать при - 90 о С. Но в обычных условиях вода замерзает при Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объя сняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциирован ность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, дл я того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 о С, требуется в шестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 о С. Благод аря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По с равнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больш е тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором те мпературы, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие темп ературные колебания. В интервале от 0 до 37 о С теплоемкость ее падает и только после 3 7 о С начинает повышаться. Минимум тепл оемкости воды соответствует температуре 36 - 39 о С - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека. 0 о С и закипает при 100 о С. 4.Физическ ие свойства воды , их ан омальность. Чистая вода представляет собой б есцветную без вкуса запаха прозрачную жидкость . Плотность воды при пер еходе ее из твердого со стояния в жидкое не уменьшается , как почти у всех других веществ , а возраста ет . Как хорошо известно , вода прин ята за образец меры – эталон для все х других веществ . Казалось бы , за эталон для физических констант следовало бы выбра ть такое вещество , которое ведет себя самы м нормальным , обычным образом . А получило сь как раз наоборот . И первое , самое поразительное , свойство воды заключается в том , что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете , которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах , или трех агрегатных состо яниях : в твердом (лед ), жидком и газообразно м (невидимый глазу пар ). 4.1 . А номалия плотности. Всем известн а аномалия плотности . Она двоякая . Во-первых , после таяния льда плотность увеличивается , проходит через максимум п ри 4 о С и только затем уменьшается с ростом температуры . В обычных жидкостях плотность всегда уменьшает ся с температурой . И это понятно . Чем б ольше температура , тем больше тепловая скорос ть молекул , тем сильнее они расталкивают д руг друга , приводя к больше й рыхлости вещества . Разумеется , и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость мо лекул , но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах. Вторая аномалия плотности состоит в том , что плотность воды б ольше плотн ости льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды , вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д .). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше , чем у кристалла . Это тоже имеет простое физическое объяснение . В кристалл а х молекулы расположены регулярно , обладают пространственной периодичностью - это сво йство кристаллов всех веществ . Но у обычны х веществ молекулы в кристаллах , кроме тог о , плотно упакованы . После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исче з ает , и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул , то есть плавление обычно сопровождается уменьшением пл отности вещества . Такого рода уменьшение плот ности очень мало : например , при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при пла влении льда аномален не только по знаку , но и по величине. 4.2.Переохлажденная вода. В последнее время много вн имания уделяется изучению свойств переохлажденно й воды , то есть о стающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 о С . (Переохладит ь воду можно либо в тонких капиллярах , либо - еще лучше - в виде эмульсии : малень ких капелек в неполярной среде - "масле "). Чт о же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды ? Она ведет себя странно . С одной стороны , плотность воды с ильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается ), но , с другой стороны , она приближается к плотност и льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевае т ). 4.3.Анома лия сжимаемости. Вот еще пример аномалии воды : необычное темпе ратурное поведение ее сжимаемости , то есть степени уменьшения объема при увеличении д авления . Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой : при высоких температурах жидк ости более рыхлы (имеют меньшую плотно сть ) и их легче сжать . Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высо ких температурах . При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом , в резул ьтате чего в ее температурном поведении п оявляе т ся минимум при 45 о С. На этих двух примерах мы видим , что необычные свойства воды характеризуются экстремальным поведением , то есть появлением максимумов (как в плотности ) или минимумов (как в сжимаемости ) на кривых их зависимос тей от температуры . Так ие экстремальные зависимости означают , что в воде имеет место противоборство двух процессов , каждый и з которых обусловливает противоположное поведени е рассматриваемого свойства . Один процесс - это обычное тепловое движение , усиливающееся с ростом температ у ры и делающее во ду (как и любую другую жидкость ) более раз упорядоченной ; другой процесс необычный , п рисущий только воде , за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах . Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум п р оцесса м , и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температу ре . 4.4.Поверхностное натяжение Сред и необычных свойств воды трудно обойти вн иманием еще одно - ее исключительно высокое по верхностное натяжение 0,073 Н /м (при 20 o С ). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжени е имеет только ртуть . Оно проявляется в том , что вода постоянно стремится стянуть , сократить свою поверхность , хотя она всегда принимает форму емкости , в кот орой находится в данный момент . Вода лишь ка жется бесформенной , растекаясь по любой повер хности . Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться , со здавая упругую внешнюю пленку . Свойства пленк и также определяются замкнутыми и р азомкнутыми водородными связями , ассоциатами разл ичной структуры и разной степени упорядоченно сти . Благодаря пленке некоторые предметы , буду чи тяжелее воды , не погружаются в воду (например , осторожно положенная плашмя стальная иголка ). Многие насекомые (водомерки , ногохвостки и др .) не только передвигаются по поверхности воды , но взлетают с не е и садятся , как на твердую опору . Боле е того , живые существа приспособились использ овать даже внутреннюю сторону водной поверхно сти . Личинки комаров повисают на н е й с помощью не смачиваемых щетинок , а маленькие улитки - прудовики и катушки - ползают по ней в поисках добычи . Высо кое поверхностное натяжение позволяет воде пр инимать шарообразную форму при свободном паде нии или в состоянии невесомости : такая гео метри ч еская форма имеет минимальную для данного объема поверхность . Струя химич ески чистой воды сечением 1 см 2 по прочности на разр ыв не уступает стали того же сечения . Водную струю как бы цементирует сила пове рхностного натяжения . Поведение воды в капилл ярах п одчиняется и более сложным физич еским закономерностям . Сент-Дьердьи отмечал , что в узких капиллярах возникают структурно уп орядоченные слои воды вблизи твердой поверхно сти . Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка де ся т ков и сотен молекул (ранее п редполагали , что упорядоченность ограничивается л ишь мономолекулярным слоем воды , примыкающим к поверхности ). Особенности структурирования воды в капиллярных системах позволяют с опред еленным основанием говорить о капиллярном с о стоянии воды . В природных условиях это состояние можно наблюдать у так называемой поровой воды . В виде тончайшей пленки она устилает поверхность полостей , пор , трещин пород и минералов земной коры . Развитые межмолекулярные контакты с поверхност ью твердых т ел , особенности структурн ой упорядоченности , вероятно , и являются причи ной того , что поровая вода замерзает при более низкой температуре , чем обычная - св ободная - вода . Исследования показали , что при замерзании связанной воды проявляются не только измене н ия ее свойств , - ины ми становятся и свойства тех горных пород , с которыми она непосредственно соприкасаетс я . 4.5.Аномалия теплоемкости. Что же это за необычный процесс , происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости ? Чтобы уяснить е го ф изическую сущность , рассмотрим еще одну , на мой взгляд , самую сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости . Велич ина теплоемкости , как известно , показывает , ско лько нужно затратить тепла , чтобы поднять температуру вещества на один г р аду с . Для подавляющего числа веществ теплоемкост ь жидкости после плавления кристалла увеличив ается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода . При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал /моль " град , то есть в два раза ! Такого огромн о го скачка теплоемкости при плавлении не н аблюдается ни у одного другого вещества : з десь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энерг ия , подводимая для нагревания , тратится в основном на увеличение тепловой скорости моле кул . Скачок теплоемкости после плавления означает , что в воде открываются какие- то новые процессы (и очень энергоемкие ), на которые тратится , подводимое тепло и кото рые обусловливают появление избыточной теплоемко сти . Такая избыточная теплоемкость и , следоват ельно , упомянутые энергоемкие процесс ы существуют во всем диапазоне температур , пр и которых вода находится в жидком состоян ии . Она исчезает только в паре , то есть эта аномалия является свойством именно ж идкого состояния воды . Теплоемкость воды аном альна не только по своему значению . Удельн ая т еплоемкость разная при различных температурах , причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен : она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37 o С , а при дальнейшем увеличении температуры - возрастает . Минимал ьное значе ние удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79 o С , а ведь это нормальная температура человеческого тела ! Нормальная температура почт и всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.При сильном пер еохлаждении теплоемкость сильно возрастает , то есть аномальный вклад в нее еще бо льше увеличивается . Переохлажденная вода еще более аномальна , чем обычная. 5.Структура и формы льда. Вода при охлаждении в нормальных условиях ниже 0 о С к ристал лизируется , образуя лед , плотность которого ме ньше , а объем почти на 10% больше объема исходной воды . Охлаждаясь , вода ведет себя как многие другие соединения : понемногу уплот няется-уменьшает свой удельный объем . Но при 4 о С ( точнее , при 3,98 о С ) на ступает кризисное состояние : при дальней шем понижении температуры объем воды уже не уменьшается , а увеличивается . С этого м омента начинается упорядочение взаимного располо жения молекул , складывается характерная для л ьда гексагональная кристаллическая стру к тура . Каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими . Это приводит к тому , что в фазе льда образуется ажурная конструкция с " каналами " между фиксированными молекулами воды . В водных растворах некоторых органических веще с тв вокруг молекул примесей возникают упорядоченные группы водных молекул своеобразные зоны "жидкого льда ", имеющие ку бическую структуру , которая отличается большой рыхлостью по сравнению с гексагональной . По явление такого льда вызывает значительное рас шир е ние всей замерзшей массы . При появлении льда разрушаются связи не только дальнего , но и ближнего порядка . Так , при 0 о С 9- 15% молекул Н 2 О утрачивают связи с соединениями , в резуль тате увеличивается подвижность части молекул и они погружаются в те полос ти , кот орыми богата ажурная структура льда . Этим объясняется сжатие льда при таянии и боль шая по сравнению с ним плотность образующ ейся воды . При переходе " лед-вода " плотность возрастает примерно на 10%, и можно считать , что эта величина определенным обр а зом характеризует количество молекул Н 2 О , попавших в полости . В твердой воде (лед ) атом кислорода каждой молекулы уча ствует в о бразовании двух водородных связей с соседними моле кулами воды согласн о схеме , в которой водор одные связи показаны пунктиром Образование водо родных с вязей приводит к такому расположению молекул воды , п ри котором они соприкасаются друг с другом своими разноимен ными полюсами . Молекулы образуют слои , причем каждая из них с вязана с тремя молекулами , принадлежащими к тому же с лою , и с одной — из соседне го слоя. Структура льда прина длежит к наименее плотным структурам , в не й существуют пустоты , раз меры наименее плотны м структурам , в ней существуют пустоты , ра з меры которых несколько превышают разме р ы молекулы . Характерной особенностью структуры льда является то , что в ней молекулы упакованы рыхло . Если изобразить молекулу шаром , то при плотневш ей упаковке шаров вокруг каждого из них будет 12 соседей . Во льду же их в сего четыре . Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы , то его плотнос ть составляла бы 2,0 г /см 3, тогда как на самом деле она равна 0,92 г /см 3. Казалось бы , рыхлость упак о вки частиц , т о есть наличие в ней больших объемов не заполненного молекулами пространства , должна приводить к неустойчивости структуры . Например , можно было бы ожидать , что при сжатии льда внешним давлением сетка водородных связей будет разрушаться , пусто т ы с труктуры будут с легкостью схлопываться , запо лняясь молекулами , вырванными из этой сетки . Но не тут-то было ! На самом деле сет ка водородных связей не разрушается , а пер естраивается . При повышении давления обычный гексагональный лед меняет свою структу р у . Сейчас известно десять форм льда , у стойчивых при высоких давлениях . И у всех сохраняется четырежды координированная сетка водородных связей , то есть каждая молекула воды сохраняет в них все свои четыре водородные связи . I – об ычный лед , существую щий при давлении д о 2200 атм ., при дальнейшем увеличении давления переходит в II ; II – лед с уменьшением объема на 18%, тонет в воде , очень неустойчив и легко переходит в III ; III – также тяжелее воды и может непосредственно быть получен из льда I ; IV – легче воды , существует при небольших давлениях и температуре немного ниже 0 С , неустойчив и легко переходит в лед I ; V – м ожет существовать при давлениях от 3600 до 6300 атм ., он плотнее льда III , при повышении давления с треском мгновенно превращается в лед VI ; V I – плотнее льда V , при давлении около 21 000 атм . имее т температуру +76 С ; может быть получен непосредств енно воды при температуре +60 С и давлении 16 500 атм. Структура льда , у которой все углы между соседними вод ородными связями равны тетраэдрическому углу , обладает минимальной плотностью (наибольшей рыхл остью ), возможной для четырежды координированных сеток . При деформации такой сетки плотность не избежно увеличивается , так что , например , для льда III она составляет 1,15 г /см 3, то есть на 25% больше , чем во льду . Итак , при внешних воздействиях (повышен ии давления ) сетка водородных связей во ль ду не разрушается , а перестраивается , сохраняя св ою четверную координацию . Более выг одным оказывается не разорвать некоторые водо родные связи , а сохранить их все , лишь деформируя сетку , несколько изменяя углы межд у связями . В этой удивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сеток во д ородных связей между молекулам и воды. 6.Структура и перестройка стр уктуры воды. Теперь легко представить себе , что происходит при плав лении льда . Сетка водородных связей и здес ь не должна разрушаться , но кристаллический порядок должен исчезнуть . Это о значает , что каждая молекула воды и в жидком состоянии должна сохранить свои четыре в одородные связи , но углы между ними будут отличаться от qТ , что и приводит к повышению ее плотности по сравнению со льдом Ih. Чем же отличается структура сетки водородны х связей в жидкой воде от структур сеток в формах льда , стабильн ых при высоких давлениях ? Отсутствием простра нственной периодичности . В отличие от льда в водной сетке невозможно выделить участки в разных ее местах , которые были бы тождественны по структуре. Сетка в во де случайная . В ней углы между связями отклоняются от qТ не по какому-то опреде ленному закону , как в кристаллах , а случай но . В кристалле вокруг каждой молекулы сос едние частицы расположены одинаково , в жидкос ти же окружение каждой молекулы устр о ено особым (но случайным ) образом . По этой причине структуру случайной сетки нев озможно установить рентгеноструктурным анализом , который вскрывает закономерности только единообр азно окруженных частиц . Значит , молекулярную структуру воды , то есть конкретно е положение всех ее молекул , невозможно определить экспериментал ьно . Здесь нужно использовать другие методы исследования и прежде всего моделирование . При помощи компьютера можно моделировать движ ения не очень большого ансамбля частиц (ок оло тысячи ) и пол у чать информацию о положении каждой молекулы , если сделать определенные (модельные ) предположения о зако нах их взаимодействия . Этой увлекательной зад ачей занимаются сейчас ученые во всем мир е . Все исследователи согласны в том , что основой структуры являетс я сетка водородных связей , охватывающая все молекулы воды ; разногласия касаются в основном устройс тва этой сетки. Итак , наиболее реалистической картино й структуры воды является случайная четырежды координированная сетка водородных связей . Та кая общая идея вполне достаточна для нашего обсуждения . Как объяснить с этой точки зрения аномалии воды ? Всякие изменени я сетки при внешних воздействиях могут бы ть : 1) без изменения структуры (например , изменен ия длин связей ); 2) с изменением структуры се тки (без измене н ия длин связей ). Удлинение всех связей при увеличении темпе ратуры относится к изменениям первого рода и является общим для всех веществ , вклю чая воду . Но в воде существенную роль играет и второй фактор . При низких темпера турах структура более упорядочена, то есть углы между водородными связями в сетке в меньшей степени отклоняются от тетраэдрического угла qТ , поэтому она более ажурна (более рыхла , имеет меньшую плотность ) и ее труднее деформировать . При изменени и температуры сетка перестраивается , меняет с вою структуру . Это нужно понимать не только как изменение углов между связями , но и как изменение характера связ ности узлов сетки (молекул ): например , изменение количества колец разного типа , аналогичное тому , что происходит при переходе от ль да Ih ко льд у III. Но если при низ ких температурах , в кристаллической фазе стру ктура каждой из десяти форм льда оставала сь неизменной в конечном интервале температур и перестройка сетки происходила при пере ходе от одной дискретной формы к другой , то в жидкости структу р а сетки водородных связей перестраивается при измене нии температуры непрерывно. 7.Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма ) представляет собой графическое изображение зависимости межд у величинами , характеризующими состояние сис темы , и фазовыми превращениями в системе ( переход из твердого состояния в жидкое , из жидкого в газообразной и т . д .). Диагра ммы состояния широко применяются в химии . Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния , показывающие зав и симость фазовых превращений от температур ы и давления , они называются диаграммами с остояния в координатах Р — Т. На рисунке приведена в схематической форме диаграмма состояния воды . Любой т очке на диаграм ме отвечают определенные значения температуры и давления. Диаграмма показывает те состояния воды , которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давлени я . Она состоит из трех кривых , разграничив ающих все возможн ые температуры и дав ления на три области , отвечающие льду , жид кости и пару. Рассмотрим каждую из кривых более подробно . Начнем с кривой ОА , отделяющей область пара от области жидкого состо яния . Представим себе цилиндр , из которого удален воздух , после чего в него введено некоторое ко личество чистой , свободной от растворенных ве ществ , в том числе от газов , воды ; цили ндр снабжен поршнем , который закреплен в н екотором положении . Через некоторо е время часть во ды испарится , и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар . Можно измерить его давление и убедиться в том , что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня . Если ув еличить температуру всей системы и вновь и змерить давление насыщенного пара , то окажется , что оно возросло . Повторяя такие измерения при различных температурах , н айдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры . Кривая ОА представ ляет собой гр афик этой зависимости : точки кривой пока зывают те пары значений температуры и дав ления , при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с др угом — сосуществуют . Кривая ОА называется кривой равновесия жидкост ь — пар и ли кривой кипения . В таблице приведены значения давления на сыщенного водяного пара при нескол ьких температурах. Температура Давление насыщенного пара Т емпература Давление насыщенного пара кПа мм рт . ст. кПа мм рт . ст. 0 0,61 4,6 50 12,3 92,5 10 1,23 9,2 60 19,9 149 20 2,34 17,5 70 31,2 234 30 4,24 31,8 80 47.4 355 40 7,37 55,3 100 101,3 760 Попытаемся осуществить в цилиндре давление , отличное от равновесного , например , меньшее , чем равновесное . Для этого осво бодим поршень и поднимем его . В первый момент давле ние в ци линдре , действительно , упадет , но вскоре равновесие восстановится : испарится д обавочно некоторое количество воды и давление вновь достигнет равновесного значения . Тольк о тогда , когда вся вода испарится , можно осуществить давление , меньшее , чем равновес ное . Отсюда следует , чт о точкам , лежа щим на диаграмме состоя ния ниже или прав ее кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление , превышающее равновес ное , то этого можно достичь , лишь опустив поршень до поверхности воды . Иначе говоря , точкам диаграммы , лежащим выше или левее кривой ОА , отвечает область жидкого состояния. До каких пор простираются влево области жидкого и парооб разного состояния ? Наметим по одной точке в обеих областях и будем двигаться от них гор изонтально влево . Этом у движению точек на диаграмме отвечает охлаждение жидкости или пара при постоянном давлении . Известно , что если охлаждать воду при нормальном атмосферном давлении , то при достижении 0°С вода начнет замерзать . Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда . Эта кривая — кривая равновесия твердое со стояние — жидкость , или кривая плавлени я , — показывает те пары значений температур ы и давления , при которых лед и жид ка я вода находятся в равновес ии. Двигаясь по горизонтали влево в облас ти пара (в нижнею части диаграммы ), аналоги чным образом придем к кривой 0В . Это — кривая равновесия твердо е состояние — пар , или кривая сублимац ии . Ей отвечают те пары з начений температуры к давления , при которых в равн овесии находятся лед и водян ой пар. Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки — это ед инственная пара значений температуры и давлен ия ,. при которых в равновесии могут находи ться все три фазы : лед , жидкая вода и пар . Она носит название тройной точки . Кривая пла вления исследована до весьма высоких давлений , В этой области обнаружено несколько моди фикаций льда (на диаграмме не показаны ). Справа кривая кипения оканчивается в критической точке . При температуре , отвечающей этой точке, — критич еской температуре — величины , характеризующие физически е свойства жидкости и пара , становятся оди наковыми , так что различие между жидким и парообразным состоянием исчезает. Существовани е критической температуры установил в 1860 г . Д . И . Менделеев , изучая с войства жидкостей . О н показал , что при температурах , лежащих в ыше критической , вещество не может находиться в жидком состоянии . В 1869 г . Эндрьюс , изучая с войства газов , пришел к аналогичному выводу. Критические температура и давление для различных вещ ест в различны . Так , для водорода = — 239,9 °С, = 1,30 МПа , для хлора =144°С , =7,71 МПа , для воды = 374,2 °С, = 22,12 МПа. Одной из особенностей воды , отличающих ее от други х вещест в , является понижение температуры плавления льда с ростом давления . Это обстоятельство отражается на диаграм ме . Кривая плавления ОС на диагра мме состояния воды идет вверх влево , тогда как почти для всех других веществ он а идет вверх вправо. Превращения , происходящие с водой при атмосферном давле нии , отражаются на диаграмме точками или отрезками , располо женными на горизонтали , отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт . ст .). Так , плавление льда или криста ллизация воды отвечает точке D , кипение воды — точке Е, нагрев ание или охлаждение воды — отрезку DE и т . п. Диаграммы состояния изучены для ряда веществ , имеющих научное или практическое з начение . В принципе они подобны рассмотренной диаграмме со стояния воды . Однако на диаг раммах состояния различных веществ могут б ыть особенности . Так , известны вещества , тройная точка которых лежит при давле н ии , превышающем атмосферно е . В этом случае нагревание кристаллов при ат мосферном давлении приводит не к плав лению этого вещества , а к его сублима ци и - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную. 8.Объяснение аномалий. Теперь мы сможем объяснить происхождение многочисленных аномалий воды . Рассмотрим аномалии плотности . Пе рвая - резкое увеличение плотности при плавлении льда - связана с тем , что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления : в водной сетке углы ме жду связями отклоняются от оптимальных тетраэ дрических , в результате чего уменьшается объе м пу с того пространства между молек улами воды . Вторая определяется тепловой пере стройкой структуры водной сетки . Чем ниже температура , тем ажурнее становится сетка , обу словливая уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 С . При высоких температурах п е рестройка структуры сетки уже мало влияет на плотность , поскольку сетка здесь сильно отличается от ажурной тетраэд рической конфигурации . Тогда становится видным общее для всех веществ (нормальное ) явление увеличения расстояний между частицами при нагреван и и . Заметим , что приближение плотности воды при ее переохлаждении к плотности льда не означает , что структура воды становится все больше похожей на структуру льда . Хотя углы между водородными связями при этом приближаются к тетраэдр ическим , но структура а ж урной случа йной водной сетки при низких температурах не имеет ничего общего с регулярной ст руктурой льда Ih . Аналогичным образом можно объяснить ан омальное поведение и других свойств воды при низких температурах , например , сжимаемости . Общая причина т акого аномального поведе ния заключается в том , что при низких температурах сетка водородных связей воды еще не очень искажена по сравнению с тет раэдрической конфигурацией , и при изменении т емпературы имеет первостепенное значение перестр ойка структуры это й сетки , которая и определяет аномальный вклад в поведение наблюдаемого нами свойства воды . При высо ких температурах , когда водная сетка сильно деформирована , ее перестройка оказывает меньшее влияние на наблюдаемое свойство и вода ведет себя , как и все обы ч ные жидкости. Чтобы деформировать сетку при изменени и температуры , перестроить ее структуру , нужно затратить энергию ; это и объясняет аномал ьный вклад в теплоемкость . Изменение структур ы сетки можно назвать изменением ее конфи гурации , поэтому аномаль ный вклад в те плоемкость , который описывает затраты энергии на изменение структуры сетки (при увеличении температуры на один градус ), называют кон фигурационной теплоемкостью . Аномальный вклад в теплоемкость не исчезает вплоть до 100°С (при обычном давлен и и ) и его вел ичина мало изменяется с температурой . Это означает , что сетка водородных связей в во де существует на всем интервале существования жидкости - от точки плавления до точки кипения : с ростом температуры водородные св язи не разрываются , а постепенн о и зменяют свою конфигурацию. Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объ ясняется тем , что вода является ассоциированн ой жидкостью . Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования . Так , для того чт обы испарить 1 г воды , нагретой до 100 о С , требуется в шесть раз боль ше тепла , чем для нагрева такого же ко личества воды от 0 до 80 о С . Благодаря этому вода явл яется мощнейшим энергоносителем на нашей план ете . 9. Литература : Ахметов Н.С ., Неорганическая химия . Москва , 1992г. Глинка Н.Л ., Общая химия . Лен инград , 1984г. Дерпгольц В . Ф . Вода во вселенной . - Л .: "Недра ", 1971. Крестов Г . А . От кристалла к раствору . - Л .: Химия , 1977. Хомченко Г.П . Химия для поступающих в ВУЗы . - М ., 1995г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Бабулька в магазине разглядывает стринги:
— Вот захочешь обосраться, а некуда.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru