Вода в природе строение молекулы воды

Какое строение имеет молекула воды

stroenie-molekuly-vody

Интересные факты о воде

Вода является источником жизни для всех живых организмов.

Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.

В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Какое строение имеет молекула воды

Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.

Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.

Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.

молекула воды

Молекула воды, картинка № 1

По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.

Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.

Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)

Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.

Водородная связь

В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.

Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.

Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.

Димер воды с водородной связью

На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.

Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.

Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.

Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

  1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
  2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
  3. Газообразном — водяной пар.

Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.

Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.

Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.

Агрегатные состояния воды

Представляет собой твердое состояние воды.

Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.

Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.

Схема льда

Жидкая вода

В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.

Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.

При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Водяной пар

Это газообразное агрегатное состояние воды.

При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.

Из чего состоит вода

При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.

Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.

Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.

Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.

При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.

Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.

Элементы

Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.

Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».

Ионы Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве.
Растворенные газы Кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
Биогенные элементы Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков
Микроэлементы Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр.
Органические вещества Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
Токсины Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.

Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.

По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.

Подводим итоги

Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.

Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.

Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.

При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

Источник



Вода и ее свойства физические и химические. Структура воды

Самое важное, уникальное по свойствам и составу вещество нашей планеты — это, конечно, вода. Ведь именно благодаря ей на Земле жизнь есть, в то время как на других известных сегодня объектах Солнечной системы ее нет. Твердая, жидкая, в виде пара — она нужна и важна любая. Вода и ее свойства составляют предмет изучения целой научной дисциплины — гидрологии.

Количество воды на планете

Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.

вода и ее свойства

Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество.

  1. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км 2 .
  2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км 2 .
  3. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км 2 оксида водорода.
  4. Подземные воды составляют 100 млн м 3 .

Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.

Состав воды и строение молекулы

Если рассмотреть эти показатели, то сразу станут понятны и свойства, которые проявляет это удивительное вещество. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому имеет эмпирическую формулу Н2О. Кроме того, при построении самой молекулы большую роль играют электроны обоих элементов. Посмотрим, что собой представляют структура воды и ее свойства.

состав воды

Очевидно, что каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Интересно то, что оксид построен в форме тетраэдра — атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма.

Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5 0 С. Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды — диполь. Это определяет то, какой может быть вода, и ее физические свойства также зависят от строения молекулы. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.

Читайте также:  Природа сил трения и основные законы

Основные физические свойства

К таковым принято относить кристаллическую решетку, температуры кипения и плавления, особенные индивидуальные характеристики. Все их и рассмотрим.

  1. Строение кристаллической решетки оксида водорода зависит от агрегатного состояния. Оно может быть твердым — лед, жидким — основная вода при обычных условиях, газообразным — пар при повышении температуры воды свыше 100 0 С. Красивые узорные кристаллы формирует лед. Решетка в целом рыхлая, но соединение очень прочное, плотность низкая. Видеть ее можно на примере снежинок или морозных узоров на стеклах. У обычной воды решетка не имеет постоянной формы, она изменяется и переходит из одного состояния в другое.
  2. Молекула воды в космическом пространстве имеет правильную форму шара. Однако под действием земной силы тяжести она искажается и в жидком состоянии принимает форму сосуда.
  3. То, что по структуре оксид водорода — диполь, обуславливает следующие свойства: высокая теплопроводность и теплоемкость, которая прослеживается в быстром нагревании и долгом остывании вещества, способность ориентировать вокруг себя как ионы, так и отдельные электроны, соединения. Это делает воду универсальным растворителем (как полярным, так и нейтральным).
  4. Состав воды и строение молекулы объясняют способность этого соединения образовывать множественные водородные связи, в том числе с другими соединениями, имеющими неподеленные электронные пары (аммиак, спирт и прочие).
  5. Температура кипения жидкой воды — 100 0 С, кристаллизация наступает при +4 0 С. Ниже этого показателя — лед. Если же увеличивать давление, то температура кипения воды резко возрастет. Так, при высоких атмосферах в ней можно растопить свинец, но она при этом даже не закипит (свыше 300 0 С).
  6. Свойства воды весьма значимы для живых существ. Например, одно из самых важных — поверхностное натяжение. Это формирование тончайшей защитной пленки на поверхности оксида водорода. Речь идет о воде в жидком состоянии. Эту пленку разорвать механическим воздействием очень сложно. Учеными установлено, что понадобится сила, равная весу в 100 тонн. Как ее заметить? Пленка очевидна, когда вода капает из крана медленно. Видно, что она словно в какой-то оболочке, которая растягивается до определенного предела и веса и отрывается в виде круглой капельки, слегка искаженной силой тяжести. Благодаря поверхностному натяжению многие предметы могут находиться на поверхности воды. Насекомые, имеющие особые приспособления, могут свободно передвигаться по ней.
  7. Вода и ее свойства аномальны и уникальны. По органолептическим показателям данное соединение — бесцветная жидкость без вкуса и запаха. То, что мы называем вкусом воды, — это растворенные в ней минералы и другие компоненты.
  8. Электропроводность оксида водорода в жидком состоянии зависит от того, сколько и каких солей в нем растворены. Дистиллированная вода, не содержащая никаких примесей, электрический ток не проводит.

Лед — это особое состояние воды. В структуре этого ее состояния молекулы связаны друг с другом водородными связями и формируют красивую кристаллическую решетку. Но она достаточно неустойчива и легко может расколоться, растаять, то есть деформироваться. Между молекулами сохраняется множество пустот, размеры которых превышают размеры самих частиц. Благодаря этому плотность льда меньше, чем жидкого оксида водорода.

состояние воды

Это имеет большое значение для рек, озер и прочих пресных водоемов. Ведь в зимний период вода в них не замерзает полностью, а лишь покрывается плотной коркой более легкого льда, всплывающего наверх. Если бы данное свойство не было характерно для твердого состояния оксида водорода, то водоемы промерзали бы насквозь. Жизнь под водой была бы невозможна.

Кроме того, твердое состояние воды имеет большое значение как источник огромного количества питьевых пресных запасов. Это ледники.

Особенным свойством воды можно назвать явление тройной точки. Это такое состояние, при котором лед, пар и жидкость могут существовать одновременно. Для этого требуются такие условия, как:

  • высокое давление — 610 Па;
  • температура 0,01 0 С.

Показатель прозрачности воды варьируется в зависимости от посторонних примесей. Жидкость может быть полностью прозрачной, опалесцентной, мутной. Поглощаются волны желтого и красного цветов, глубоко проникают лучи фиолетовые.

свойства воды

Химические свойства

Вода и ее свойства — важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

  1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
  2. Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
  3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими — наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
  4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
  5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
  6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO4*5H2O), а также обычные гидраты (NaOH*H2O и другие).
  7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
  8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы — водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода — это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

молекула воды

Вода и ее полезные свойства для живых существ

Сложно переоценить то значение, которое имеет оксид водорода для всего живого. Ведь вода и есть сам источник жизни. Известно, что без нее человек не смог бы прожить и недели. Вода, ее свойства и значение просто колоссальны.

  1. Это универсальный, то есть способный растворять и органические, и неорганические соединения, растворитель, действующий в живых системах. Именно поэтому вода — источник и среда для протекания всех каталитических биохимических преобразований, с формированием сложных жизненно важных комплексных соединений.
  2. Способность образовывать водородные связи делает данное вещество универсальным в выдерживании температур без изменения агрегатного состояния. Если бы это было не так, то при малейшем снижении градусов она превращалась бы в лед внутри живых существ, вызывая гибель клеток.
  3. Для человека вода — источник всех основных бытовых благ и нужд: приготовление пищи, стирка, уборка, принятие ванны, купание и плавание и прочее.
  4. Промышленные заводы (химические, текстильные, машиностроительные, пищевые, нефтеперерабатывающие и другие) не сумели бы осуществлять свою работу без участия оксида водорода.
  5. Издревле считалось, что вода — это источник здоровья. Она применялась и применяется сегодня как лечебное вещество.
  6. Растения используют ее как основной источник питания, за счет чего они продуцируют кислород — газ, благодаря которому существует жизнь на нашей планете.

Можно назвать еще десятки причин того, почему вода — это самое широко распространенное, важное и необходимое вещество для всех живых и искусственно созданных человеком объектов. Мы привели только самые очевидные, главные.

вода ее признаки и свойства

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились. Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание.

Понятие о тяжелой воде

В природе оксид водорода существует в виде смеси изотопологов. Это связано с тем, что водород формирует три вида изотопа: протий 1 Н, дейтерий 2 Н, тритий 3 Н. Кислород, в свою очередь, также не отстает и образует три устойчивые формы: 16 О, 17 О, 18 О. Именно благодаря этому существует не просто обычная протиевая вода состава Н2О ( 1 Н и 16 О), но еще и дейтериевая, и тритиевая.

вода и ее полезные свойства

При этом устойчива по структуре и форме именно дейтериевая ( 2 Н), которая включается в состав практически всех природных вод, но в малом количестве. Именно ее называют тяжелой. Она несколько отличается от обычной или легкой по всем показателям.

Тяжелая вода и ее свойства характеризуются несколькими пунктами.

  1. Кристаллизуется при температуре 3,82 0 С.
  2. Кипение наблюдается при 101,42 0 С.
  3. Плотность составляет 1,1059 г/см 3 .
  4. Как растворитель в несколько раз хуже легкой воды.
  5. Имеет химическую формулу D2O.

При проведении опытов, показывающих влияние подобной воды на живые системы, было установлено, что жить в ней способны лишь некоторые виды бактерий. Для приспособления и акклиматизации колониям потребовалось время. Но, приспособившись, они полностью восстановили все жизненно важные функции (размножение, питание). Кроме того, стали очень устойчивы к воздействию радиоактивного излучения. Опыты на лягушках и рыбах положительного результата не дали.

Читайте также:  Австралия природа большой барьерный риф

Современные области применения дейтерия и образованной им тяжелой воды — атомная и ядерная энергетика. Получить в лабораторных условиях такую воду можно при помощи электролиза обычной — она образуется как побочный продукт. Сам дейтерий формируется при многократных перегонках водорода в специальных устройствах. Применение его основано на способности замедлять нейтронные синтезы и протонные реакции. Именно тяжелая вода и изотопы водорода — основа для создания ядерной и водородной бомбы.

Опыты на применении дейтериевой воды людьми в небольших количествах показали, что задерживается она недолго — полный вывод наблюдается через две недели. Употреблять ее в качестве источника влаги для жизни нельзя, однако техническое значение просто огромно.

Талая вода и ее применение

Свойства такой воды издревле были определены людьми как целебные. Давно было замечено, что при таянии снега животные стараются напиться водой из образовавшихся лужиц. Позже были тщательно исследованы ее структура и биологическое воздействие на организм человека.

тяжелая вода и ее свойства

Талая вода, ее признаки и свойства находятся посередине между обычной легкой и льдом. Изнутри она образована не просто молекулами, а набором кластеров, сформированных кристаллами и газом. То есть внутри пустот между структурными частями кристалла находятся водород и кислород. По общему виду строение талой воды сходно со строением льда — сохраняется структурность. Физические свойства такого оксида водорода незначительно меняются в сравнении с обычным. Однако биологическое воздействие на организм отличное.

При замораживании воды первой фракцией превращается в лед более тяжелая часть — это дейтериевые изотопы, соли и примеси. Поэтому эту сердцевину следует удалять. А вот остальная часть — чистая, структурированная и полезная вода. Каково воздействие на организм? Учеными Донецкого НИИ были названы следующие виды улучшений:

  1. Ускорение восстановительных процессов.
  2. Укрепление иммунитета.
  3. У детей после ингаляций такой водой происходит восстановление и излечение простудных заболеваний, проходит кашель, насморк и прочее.
  4. Улучшается дыхание, состояние гортани и слизистых оболочек.
  5. Общее самочувствие человека, активность повышаются.

Сегодня существует ряд сторонников лечения именно талой водой, которые пишут свои положительные отзывы. Однако есть ученые, в том числе медики, которые эти взгляды не поддерживают. Они считают, что вреда от такой воды не будет, но и пользы мало.

Энергетика

Почему свойства воды могут изменяться и восстанавливаться при переходе в разные агрегатные состояния? Ответ на этот вопрос следующий: у данного соединения существует своя информационная память, которая записывает все изменения и приводит к восстановлению структуры и свойств в нужное время. Биоэнергетическое поле, через которое проходит часть воды (та, что поступает из космоса), несет в себе мощный заряд энергии. Эту закономерность часто используют при лечении. Однако с медицинской точки зрения не каждая вода способна оказать благоприятный эффект, в том числе и информационный.

Структурированная вода — что это?

Это такая вода, которая имеет несколько иное строение молекул, расположение кристаллических решеток (такое, которое наблюдается у льда), но это все же жидкость (талая также относится к этому типу). В этом случае состав воды и ее свойства с научной точки зрения не отличаются от тех, что характерны для обычного оксида водорода. Поэтому структурированная вода не может иметь такого широкого лечебного эффекта, который ей приписывают эзотерики и сторонники нетрадиционной медицины.

Источник

Вода, ее роль в природе, виды воды, источники загрязнения

Вода, ее роль в природе, виды воды, источники загрязнения.

Вода – это неорганическое соединение, образованное двумя химическими элементами (двумя атомами водорода и одним атомом кислорода). В чистом виде вода не имеет запаха и цвета, а также явно выраженного вкуса. В обычном состоянии, вода представлена в виде жидкости.

Роль воды в природе и жизни организмов:

Вода оказывает непосредственное влияние на формирование погоды и климата, активно участвует в биохимических реакциях живых организмов. Например, в организме животных доля воды составляет порядка 60-75 %, у новорожденных – 70-80 %, а у эмбрионов – до 87-97 %. Таким образом, вода играет одну из главных ролей в процессе поддержания жизни на Земле.

Особенностью воды является пребывание в неустойчивом (метастабильном) состоянии при определенных условиях (данное состояние получило название – переохлажденная жидкость, пересыщенный пар, перегретая жидкость).

Вода является природным растворителем, как органических соединений, так и неорганических веществ. В естественном состоянии в воде содержатся соли разных веществ и соединений, растворены газы.

Виды воды:

По содержанию катионов кальция и магния различают: мягкую и жесткую воду.

По изотопам молекулы: обычную воду (легкую), дейтериевую воду (тяжелую), тритиевую воду (сверхтяжелую).

По содержанию соли: пресную и морскую воду.

Существуют такие понятия воды как:

сточные воды;

поверхностные воды;

ливневые воды;

дождевая вода;

питьевая вода;

минеральная вода;

солоноватая вода;

дистиллированная вода,

стерильная вода (для медицинских инъекций);

аномальная или модифицированная вода, обладающая уникальными свойствами для научных опытов.

О сновные показатели качества воды:

К основным показателям качества воды относят: физические, химические, биологические и бактериологические индикаторы.

Физические индикаторы качества отождествляются с запахом, вкусом, цветом, наличием взвесей.

При оценивании запаха используют 5-бальную шкалу, при этом выясняется, насколько преобладает один из представленных признаков: болотный, гнилостный, ароматический, землистый, рыбный. Посредством встряхивания лабораторной колбы с содержимым оценивают интенсивность запаха данного образца. Проверка запаха воды актуальна в разных ситуациях, например, при оценке очищенной воды . Наличие запаха у очищенной воды свидетельствует о низком качестве очистки, либо неполном удалении специальных реагентов (хлора).

Проверка цветности воды в количественном отношении осуществляется методом колориметрии, посредством сравнения взятой пробы со шкалой эталонов.

Качественное сравнение проб осуществляется с дистиллированной водой на белом фоне при естественном освещении. При обнаружении окраски воды указывают идентифицированный цвет (бурый, светло-желтый). Если сравниваемые образцы идентичны, то в заключении указывается, что исследуемый образец бесцветен.

Прозрачность воды свидетельствует о степени загрязнения исследуемой пробы во взвешенном и коллоидном (максимально раздробленном) состоянии.

Мутность воды свидетельствует о наличие в исследуемой пробе достаточного количества органических/неорганических примесей. Взвеси отделяются посредством фильтрования, после чего оценивается их преобладание в исследуемой пробе. Мутность воды определяется гравиметрическим методом.

По наличию сухого остатка делается вывод о наличие нелетучих веществ, находящихся в сточных водах. Исследование проводится в рамках использования гравиметрического метода. Метод позволяет точно определить количество органических веществ, находящихся во взвешенном состоянии во взятой пробе.

Химические индикаторы качества воды позволяют выявить щелочность, кислотность, жесткость, электропроводность, наличие органических веществ и растворенного кислорода.

Щелочность воды определяется наличием щелочных солей и свободных щелочей. Контроль щелочной среды сточных вод важен не только на входе в очистные сооружения, но и на выходе. Только при условии нейтральности среды (рН

6,5 – 8,5) гарантируется естественная жизнедеятельность микроорганизмов, обеспечивающих биохимическую очистку сточных вод.

Кислотность воды – важнейший индикатор, актуальный при сбросе в водоем кислотных вод. Перед сбросом в водоем кислотных сточных вод, следует нейтрализовать кислотность. Уровень кислотности определяется наличием в воде кислых солей и свободной угольной кислоты. Индикатором кислотности воды является вещество фенолфталеин.

Содержание азота в воде проверяется на предмет выявления аммонийного азота (NH + 4), нитратов (NO – 3) и азота нитритов (NO – 2).

Окисляемость воды обусловлена химической реакцией окисления некоторых быстрореагирующих неорганических веществ (Fe 2+ , сероводорода, сульфитов, нитритов) и органических соединений. В конечном итоге, окисляемость свидетельствует о том, какое количество кислорода было использовано при окислении органических веществ, содержащихся в 1 литре воды.

Химическая потребность в кислороде (сокращенно ХПК) позволяет сделать вывод о том, сколько в воде содержится органических веществ, которые предрасположены к окислению агрессивными окислителями.

Биохимическая потребность в кислороде (сокращенно БПК) – позволяет оценить степень загрязнения сточных вод аэробными микроорганизмами, бурно реагирующими на кислородную среду. Показатель БПК определяется с помощью йодометрического метода.

Общая жесткость воды формируется двумя показателями: карбонатной и некарбонатной жесткостью. Карбонатная жесткость показывает уровень содержания в воде гидрокарбонатов магния и калия . Некарбонатная жесткость демонстрирует наличие в воде сульфатов магния и калия, а также хлоридов. Суммарное сочетание данных показателей выражает единый индикатор общей жесткости.

Биологические индикаторы качества демонстрируют наличие в воде гидрофлоры и гидробионатов. Гидрофлора определяется микрофитами и макрофитами. К микрофитам относятся водоросли, а макрофиты ассоциируются с высшей водной растительностью. При отмирании макрофитов в воде повышается уровень органических веществ. Ценность микрофитов состоит в том, что простейшие водоросли поглощают растворенный в воде углекислый газ , выделяя при этом кислород.

К гидробионитам относится три вида живой среды: планктон, пребывающий в толще воды; обитатели придонной толщи воды (bentos); живность, населяющая поверхностный слой воды (neisia).

Бактериологические индикаторы качества характеризуют безвредность (нейтральность) водной среды относительно находящихся здесь болезнетворных микроорганизмов и особенно кишечной палочки. Для определения степени зараженности воды болезнетворными микроорганизмами (кишечной палочкой) используется величина КОЛИ индекса. Для определения показателя на пробу берется 1 литр воды.

Состояния воды – жидкое, твердое, газообразное:

Вода, кроме жидкого состояния может находиться и в других агрегатных состояниях. В твердом состоянии вода представлена в виде льда, инея и снежных крупинок. В газообразном состоянии – в виде пара.

При обычном атмосферном давлении вода превращается в водяной пар при 100°С, и трансформируется в лед при 0°С. При росте давления, температура кипения водной среды возрастает и наоборот, при падении давления, температура кипения падает.

Вода может одновременно пребывать в разных совмещенных состояниях, например: морская вода и айсберг, реки и ледники на земной поверхности, водяной пар и облака.

Запасы пресной и соленой воды в мире:

Вода занимает 71% поверхности планеты, находясь в океанах, морях, реках, озерах и ледниках. В составе земной мантии в 10-12 раз больше воды, чем в водах мирового океана. Большую часть занимает соленая вода, которая непригодна для питья и возделывания культур в сельском хозяйстве. На долю пресной воды приходится малая часть: в ледниках содержится 1,81%, в подземных водах – 0,63%, в реках и озерах – 0,009%.

С редняя плотность воды:

Считается, что средняя плотность воды приравнивается к 1000 кг/метр кубический, что соответствует 1000 г/литр. Если быть более точным, то плотность воды является максимальной и приравнивается к величине 999,972 кг/метр кубический при температуре от 3,8 до 4,2°С. К примеру, при температуре 25°С плотность воды составляет 997 кг/ метр кубический.

Читайте также:  Салаты на природе детям

К существенному изменению плотности воды приводит смена агрегатного состояния. Плотность льда варьируется в пределах 916-920 кг/метр кубический, а плотность водяного пара составляет всего лишь сотые доли килограмма на кубометр.

Граница раздела между жидкостью и водяным паром исчезает при критической температуре, составляющей 374,12° С.

И сточники водоснабжения поверхностные и подземные:

Наземные источники представлены реками, естественными водоемами и искусственными водохранилищами.

Подземные водные источники представлены: хранилищами воды артезианского напорного типа и межпластовым водным ресурсом безнапорного типа.

Атмосферные воды содержат не только разные примеси и растворенные газы, но и существенно загрязнены. Для атмосферных осадков характерно такое явление, как кислотные дожди. Атмосферные воды однозначно подлежат обеззараживанию и очистке.

Открытые источники воды небезопасны в использовании, поскольку могут содержать токсичные вещества, накопленные в результате притока сточных вод. В открытых водоемах может «цвести» вода, а содержание органики зашкаливать. Открытые источники характеризуются пониженной прозрачностью, высокой минерализацией. Чтобы воду из таких источников можно было использовать для питья, требуется провести ее очистку и обеззараживание.

Подземные запасы воды группируются на почвенные воды, грунтовые воды, межпластовые подземные хранилища воды (напорные и безнапорные).

Наиболее безопасной по составу является вода из артезианских источников, которую можно употреблять без предварительной обработки. Вода, полученная из артезианской скважины, не имеет запаха, прозрачна, бесцветна. В ней отсутствуют микроорганизмы и органические вещества. Особенностью воды из артезианского источника является повышенный уровень минерализации.

Без обработки и обеззараживания можно также пить воду, полученную из подземного водоносного слоя не напорного типа. Такой водный ресурс находится на достаточной глубине между двумя водоупорными пластами. Просачивание в межпластовые хранилища воды поверхностных вод и атмосферной влаги исключено.

Для обеспечения населения чистой водой практикуется использование двух систем водоснабжения: централизованной системы и децентрализованной (местной) системы.

Центральная система водоснабжения имеется в любом городе. В состав системы входит центральный водопровод со всеми элементами и сеть трубных коммуникаций, предназначенная для доставки воды потребителю.

Центральный водопровод включает в себя: водозабор, насосную станцию, очистные сооружения, резервуары для чистой воды , напорную башню. Очищенная и обеззараженная вода по сети труб под давлением подается до каждого потребителя (домохозяйства).

Местное водоснабжение устраивается в местах, где количество жителей незначительно. Вода берется, как правило, из подземного источника с помощью насосов.

При выборе источника воды для водоснабжения приоритет дается межпластовым водоносным слоям артезианского типа. Вода из такого источника отвечает необходимым санитарным нормам и полностью пригодна к употреблению.

Выбора источника водоснабжения:

Выбор источника водоснабжения опирается на санитарно-гигиенические нормы и экологические стандарты. Потребитель должен получать качественный продукт, который не нанесет вред его здоровью. Поэтому при выборе оптимального источника водоснабжения, решение принимается в пользу межпластовых водоносных слоев с высокими санитарно-гигиеническими показателями. Если артезианских пластов в наличии нет, то выбор делается в пользу межпластовых безнапорных слоев. На третьем месте по надежности выступают грунтовые воды первого водоносного горизонта. При невозможности получить доступ к подземным водоносным межпластовым и грунтовым слоям выбор делается в пользу открытых водоемов, однако в этом случае придется продумать систему очистки и обеззараживания воды .

И сточники и виды загрязнения природных вод:

Источниками загрязнения природных вод на сегодняшний день выступают: химические, биологические и физические источники.

К химическим источникам загрязнения относят производственные процессы, транспорт и сельскохозяйственное производство.

К биологическим источникам загрязнения относят вирусы, бактерии, дрожжевые грибы и болезнетворные микроорганизмы.

К физическим источникам загрязнения относят сброс тепла в водоемы, радиоактивное заражение и др.

Конкретными загрязнителями выступают следующие вещества:

– смолы, жиры, фенол, сульфаты (продукты деревообработки);

– продукты химической отрасли;

– минеральные вещества, как продукты горной добычи и угольной промышленности;

Сточные воды промышленных предприятий:

По своему составу, сточные воды, выводимые с промышленных предприятий, классифицируются, как бытовые, производственные и атмосферные .

Бытовые производственные сточные воды – продукт душевых и туалетов производственно-административных зданий.

Производственные воды – водный ресурс, используемый для обеспечения технологических процессов на предприятии.

Атмосферные воды – следствие дождевых осадков, а также выпавшего, а затем растаявшего снега.

Производственные сточные воды делятся на две подгруппы – загрязненные и условно чистые воды .

Загрязнение производственных вод проявляется в увеличении солей тяжелых металлов, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных микроорганизмов, уменьшении кислорода .

Загрязненные воды на предприятии делятся на три подгруппы:

– воды , насыщенные минеральными примесями (отрасли металлургии, машиностроения, угледобычи);

– воды, насыщенные органикой (предприятия пищевой отрасли, молокоперерабатывающие заводы, бумажно-целлюлозные комбинаты, предприятия по переработке рыбы и морепродуктов);

– воды, насыщенные неорганическими примесями (нефтеперерабатывающие предприятия, комбинаты легкой и текстильной промышленности).

О бласти применения воды:

Вода может быть применена в таких и подобных областях как:

– возделывание сельскохозяйственных культур, что особенно актуально для засушливых районов;

– в качестве растворителя органических и неорганических веществ;

– как эффективный теплоноситель для обогрева жилищ и функционирования контуров атомных станций;

– как замедлитель нейтронов при проведении ядерной реакции на атомных электростанциях ;

Источник

Урок 27. Состав и физические свойства воды

В уроке 27 «Состав и физические свойства воды» из курса «Химия для чайников» узнаем, что из себя представляет вода, выясним её состав, а также физические свойства.

Наиболее распространенным оксидом на Земле является оксид водорода H2O, или вода. Без воды, как и без кислорода, невозможна жизнь человека, животных и растений.

Вода — единственное вещество, существующее на Земле одновременно в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Она является основным компонентом морей и океанов, ледников и айсбергов, облаков и тумана.

Около 70 % поверхности Земли покрыто океанами, морями, реками и озерами — природными хранилищами воды. Из космоса толстый слой воды имеет голубой цвет (рис. 104), вот почему нашу планету называют голубой. Вода входит в состав всех живых организмов, а также очень многих минералов.

земля

Состав и строение воды

Как вы уже знаете, молекула воды состоит из трех атомов — двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 105). Относительная молекулярная масса воды равна:

Строение воды

Следовательно, молярная масса воды равна:

Вода — это вещество с молекулярным строением. В твердом (рис. 106) и жидком агрегатных состояниях молекулы воды прочно связаны друг с другом. Этим во многом объясняется целый ряд удивительных физических свойств воды.

кристаллики льда

Физические свойства воды

При комнатных условиях вода представляет собой жидкость без вкуса и запаха. В тонком слое вода не имеет цвета. Однако при толщине более 2 м она имеет голубой цвет. Совершенно чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

На заметку: По тому, как проводит электрический ток вода, можно судить о ее чистоте — чем ниже электропроводность, тем чище вода.

У большинства веществ в твердом состоянии плотность выше, чем в жидком. В отличие от них вода в твердом агрегатном состоянии (лед) имеет более низкую плотность, чем в жидком. При 0 °С плотность льда равна примерно 0,92 г/см 3 , а плотность жидкой воды — примерно 1,00 г/см 3 . Это означает, что лед легче воды, поэтому он не тонет в ней (рис. 107). Такая особенность воды объясняет, почему водоемы начинают замерзать не со дна, а с поверхности и очень редко промерзают до самого дна. Это защищает живые организмы, обитающие в реках и морях, от гибели.

У воды высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается, но и медленно остывает. Это позволяет морям и океанам накапливать тепло летом (и днем) и высвобождать его зимой (и ночью), что предотвращает резкие колебания температуры воздуха на нашей планете в течение года (и суток). Моря и океаны служат своеобразными аккумуляторами тепла на нашей планете.

лёд

При нормальном давлении (101,3 кПа) температура кипения воды равна 100 °С. При понижении давления температура кипения воды понижается. Например, в горах на высоте около 5000 м давление существенно ниже нормального (примерно в два раза), поэтому вода закипает в этих условиях при температуре около 84 °С. Понятно, что варить продукты до готовности в горах необходимо более длительное время. И наоборот, в скороварке, где создается высокое давление, вода закипает при температуре выше 100 °С, что позволяет быстрее приготавливать пищу.

Вода как растворитель

С совершенно чистой водой, не содержащей никаких других веществ, большинство людей никогда не встречается. Такая вода используется только в специальных целях.

Почти все жидкости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни и деятельности, представляют собой растворы различных веществ.

Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.

Одно из веществ, входящих в состав раствора, называется растворителем, а остальные — растворенными веществами. Очень часто растворителем является вода. Вода может растворять твердые, жидкие и газообразные вещества.

Все природные воды содержат растворенные соли. Их легко обнаружить экспериментально, выпарив воду на часовом стекле. Кроме солей, вода может растворять различные газы. Их присутствие (правда, не всегда) можно обнаружить экспериментально. Например, поместив пробирку с холодной водой из-под крана в теплое место, через некоторое время можно заметить у стенок пробирки пузырьки. Это растворенные газы (преимущественно кислород) выделяются из раствора при его нагревании до комнатной температуры (рис. 108).

Выпаривание

Многие жидкости также хорошо растворимы в воде. Например, серная кислота и спирт неограниченно растворяются в воде. В таком случае говорят, что вещество смешивается с водой в любых соотношениях. Из-за хорошей растворимости многих веществ в воде ее иногда называют универсальным растворителем.

Краткие выводы урока:

  1. Вода не имеет вкуса, цвета (в тонком слое) и запаха, кипит при 100 °С, а переходит в твердое состояние при 0 °С.
  2. Плотность твердой воды меньше, чем жидкой.
  3. Раствор — это однородная смесь двух и более веществ.
  4. Вода является универсальным растворителем — она хорошо растворяет многие твердые, жидкие и газообразные вещества.

Надеюсь урок 27 «Состав и физические свойства воды» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник