Строение и диаграмма состояния воды. Физические свойства воды, льда и снега

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Гидросфера Земли.

2. Молекулярное строение воды.

3. Фазовая диаграмма воды.

4. Основные физические свойства воды, снега и льда.

5. Физические аномалии воды.

1. Гидросфера Земли. Гидросфера — это водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой. Из общей площади поверхности Земли водами океанов, представляющими собой непрерывную водную среду, называемую Мировым океаном, покрыто или 70,8%. Кроме морей и океанов в гидросферу включают поверхностные воды суши (реки, озера, болота, ледники и вечные снега). В гидросферу входят также влага атмосферы и подземные воды, которые представлены свободными гравитационными водами и водами, физически и химически связанными в минералах и горных породах.

Воды гидросферы, атмосферы и земной коры связаны между собой. При соответствующих условиях они могут переходить из одной сферы в другую, изменяя при этом физическое состояние на твердое, жидкое, газообразное. Происхождение гидросферы тесно связано с развитием Земли. Возраст нынешней гидросферы составляет около 2,5—3.0 млрд. лет.

2. Молекулярное строение воды. Вода (Н₂О) — простейшее устойчивое соединение водорода (11,19%) с кислородом (88,81%). Молекулярная масса чистой воды 18,01629. При нормальной температуре и в отсутствие катализаторов вода из элементов не образуется; при +300°С реакция протекает медленно, а при 550°С — со взрывом.

Молекулы воды термически устойчивы, распад на элементов достигает заметной величины лишь при температуре 2000°С. При температурах порядка 4000—6000°С термическая диссоциация становится практически полной и водород утрачивает способность соединяться с кислородом. Вода - очень слабый электролит, диссоциацией ее на катионы водорода и анионы гидроксила обычно пренебрегают.

Химически чистая вода — жидкость без запаха, вкуса и цвета. Лишь в слое более 2 м она имеет голубоватый оттенок. Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Наиболее чистые — дождевая и снеговая вода тоже содер­жат различные примеси — растворенные газы, пыль, микро­организмы.

В природе существует три изотопа водорода: обычный «легкий» водород, или тротий, с массовым числом 1,00797; дейтерий с массовым числом 2; тритий с массовым чис­лом 3. Кроме того, в лабораторных условиях получены два сверхтяжелых радиоактивных изотопа Н4 и Н5.

Изотопов кислорода известно семь. Три из них (О16, О17, О18) стабильны и существуют в естественных условиях, четыре (О14, О15, О19 и О20) нестабильны и созданы физи­ками в ускорителях и реакторах. Все они живут недолго и через несколько минут распадаются. Из стабильных изото­пов больше всего легкого кислорода О16, меньше — тяжелого О18!и совсем мало — кислорода О17.

Сочетанием изотопов водорода и кислорода теоретичес­ки можно получить сорок два вида воды, тридцать три из которых будут радиоактивными. Если учесть еще два сверх­тяжелых изотопа водорода Н⁴ и Н⁵, полученных пока толь­ко в нескольких лабораториях мира, то будут возможны уже сто пять типов молекул воды.

Природная вода — речная, озерная, дождевая, снего­вая, ледниковая, подземная и океаническая — состоит из смеси молекул, включающих изотопы водорода и стлбилъные изотопы кислорода. Поэтому в ней встречается восем­надцать следующих разновидностей воды. Ос­новной является вода, образованная изотопами Н' и О' (Н'₂О'), остальные виды воды в природной воде содер­жатся в незначительных концентрациях.

По изотопному составу вода в разных естественных ус­ловиях неодинакова. Содержание изотопных молекул меня­ется в зависимости от источника происхождения и от того, что с ней происходило в бесконечном и многообразном процессе ее круговорота в природе. При испарении вода обо­гащается прогнем, поэтому дождевая вода отличается от озерной, которая в свою очередь не похожа па речную или1 морскую. При замерзании в воде уменьшается содержание тяжелого водорода, но зато повышается количество тяжелого кислорода. Поэтому вода из растаявшего льда уже другая и отличается от той, из которой лед был получен.

Изотопная разновидность воды, в которой обыкновенный водород заменен его тяжелым изотопом — дейтерием, называется тяжелой водой. Она бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса. В процентном отношении тяжелая вода составляет незначительную долю от общего объема на земном шаре. По физическим свойствам она заметно отличается от обычной: замерзает при температуре, закипает при 101,4°С. Температура максимальной плотности для тяжелой воды гораздо выше — 11,6°С.

Вода обладает рядом физических аномалий, которых насчитывается до пятнадцати. Важнейшие среди них следующие: удельный объем при увеличении температуры до 4°С уменьшается, а выше 4° — увеличивается; при замерзании объем воды увеличивается, плавление льда сопровождается сжатием; при повышении давления температура замерзания воды не повышается, а понижается; плавление льда сопровождается аномально большим увеличением теплоемкости (почти вдвое); исключительно большая теплоемкость воды.

Вода есть не только на Земле. В Галактике обнаружены скопления водяных паров — настоящие космические облака, размеры которых достигают сотен миллионов километров. Вода входит в состав комет. Следы ее найдены в атмосфере Марса и некоторых звезд.

Как всякое химически устойчивое вещество вода может существовать в трех агрегатных состояниях — жидком, твер­дом и парообразном, переходя из одного состояния в другое при изменении условий температуры и давления. Расчеты по­казывают, что, если бы наша планета находилась от Солнца на расстоянии менее 150 млн км, воды не было бы во­обще. Напротив, отстояла бы орбита Земли на расстоянии 166 млн км от Солнца, земной шар навечно был бы скован льдом.

Лед — это общее наименование твердой фазы воды. Он обладает замечательной способностью существенно изменять свои упруго-пластические свойства и структуру даже при не­значительных колебаниях температуры и давления. Лед об­ладает также свойствами режеляции и рекристаллизации, сублимации и возгонки.

Структура льда естественных водоемов разнообразна (раз­мер, форма, расположение кристаллов, наличие посторон­них включений). Различие в кристаллической структуре льда сильно сказывается на механических и физических свойствах ледяного покрова, кристаллическая структура которого су­щественно зависит от условий замерзания.

Молекула воды имеет два положительных (на атомах водорода) и два отрицательных (на неподеленных элек­тронных парах атомов кислорода) полюса зарядов, распо­ложенных под углом, близким к тетраэдрическому. Четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле воды образо­вывать четыре водородные связи с соседними молекулами.

Природа водородной связи вытекает из полярности связи О—Н. В молекуле Н₂О электронная пара, образующая связь в группе О—Н, смещена к ядру кислорода и удалена от ядра водорода. Такой частично ионный характер связи О—Н ведет к тому, что атом водорода приобретает некото­рый положительный заряд, а атом кислорода—отрицатель­ный. Это позволяет электронам другого атома кислорода приблизиться к протону, если даже протон уже связан. Об­разуется водородная связь.

Водородные связи примерно в 10 раз сильнее межмо­лекулярных взаимодействий, которые характерны для боль­шинства других жидкостей. Поэтому для плавленая, испаре­ния и нагревания -воды необходима гораздо большая энер­гия, чем и объясняются аномально высокие удельная тепло­та плавления, испарения и теплоемкость.

3. Фазовая диаграмма воды. Условия существования воды в различных фазах и равновесия фаз при переходе из одного агрегатного со­стояния в другое могут быть наглядно представлены помощи диаграммы состояния (фазовая диаграмма). Для однокомпопентной системы, к которой относится вода, диа­грамма состояния отражает связь между температурой Т и давлением р. Главное назначение диаграммы состояния за­ключается в том, что она позволяет делать точные выводы о физико-химической природе и границах существования фаз системы без их выделения и химического анализа.

Откладывая для воды по оси абсцисс температуру Т, а по оси ординат — давление p, получим геометри­ческое место точек, соответствующих равновесию жидкой воды и водяного пара, в виде кривой ОА, которая назы­вается кривой парообразования. Геометрическим местом то­чек (равновесия твердой и жидкой фаз будет кривая ОС, называемая кривой плавления. Кривая плавления льда в от­личие от кривых плавления других веществ.несколько наклонена в сторону оси давления. Это означает, что плавле­ние льда под повышенным давлением происходит при бо­лее низкой температуре. Кривая ВО есть кривая сублима­ции. Каждой ее точке соответствуют определенные темпера­тура и давление, при которых лед и водяной пар находятся в равновесии.

Все три кривые пересекаются в точке С, указывающей температуру и давление, при которых одновременно могут находиться в равновесии все три фазы. Поэтому точка О называется тройной точкой, ей отвечают давление 612 Па и температура 273,16 К (0,0075°С). Кривые АО, ВО и ОС делят всю площадь диаграммы на поля, из которых каждое соответствует устойчивости только одного агрегатного состояния воды.

В момент, когда плотность жидкой воды становится равной плотности ее пара, граница между жидкостью и паром (мениск) исчезает, исчезают и все другие различия в свойствах между жидкостью и ее паром. Температура, при которой перестает существовать различие между жидкостью и ее паром, называется критической. Критическая температура воды составляет 374,2°С; в этом состоянии вода имеет плотность, равную 1/3 плотности жидкой воды при 0°С.

4. Основные физические свойства воды, снега и льда. Плотность воды. Изменение плотности обусловливает возникновение в водоемах ряда гидрофизических процессов динамического и термического характера — циркуляционных течений и определенного типа температурной стратификации, способствующих перемешиванию поверхностных и придонных вод, их освежению, обогащению кислородом и питательными веществами, необходимыми для развития жизни.

Снег — это твердые кристаллические осадки, выпадающие из облаков при отрицательной температуре воздуха, частички снега — снежинки — имеют самую разнообразную форму и размеры, которые зависят от условий их образования и роста, прежде всего от температуры и степени насыщения водяным паром окружающей среды. Существуют режимы, когда преобладают кристаллы в форме пластинок, в других режимах образуются длинные и тонкие иглы - дендриты.

В зависимости от условий формирования снежинки могут содержать некоторое количество примеси органического и неорганического происхождения.

Процесс превращения свежевыпавшего или метелевого снега в массу ледяных зерен, сначала мелких, а затем более крупных, называется фирнизацией. Происходит она в течение всего периода существования снежного.покрова как в сухом, так и во влажном снеге, обусловлена происходящими внутри снежной толщи физическими процессами, которые зависят от теплообмена снежного.покрова с атмосферой и подстилающей поверхностью. Фирнизация осуществляется путем режеляции, рекристаллизации, возгонки и сублимации, а также в процессе повторного замерзания и таяния снега. Фирновые зерна и скопления их в форме более или менее значительных агрегатов, образующих фирн, покрываются прослойками наста (ледяных корок). Плотность фирновых зерен примерно 300-500 кг/м³.

Строение молекулы воды хорошо изучено при помощи спектроскопических и дифракционных исследований водяного пара. Три атома, составляющие молекулу Н₂О, образуют равнобедренный треугольник, в вершине которого находится атом кислорода, а в углах при основании—атомы водорода.

5. Физические аномалии воды. Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества с повышением температуры возрастает скорость движения молекул, увеличивается объем тела, уменьшается его плотность. Поэтому с повышением температуры плотность жидкостей, как правило, уменьшается. Однако вода в интервале температур от 0°С до 4°С ведет себя аномально. В этом ин­тервале с повышением температуры плотность,воды увели­чивается, при температуре выше 4°С — уменьшается.

Температурная аномалия плотности воды объясняется особенностью строения ее молекул.

При нагревании воды одновременно идут два противоположно направленных про­цесса: нормальное увеличение объема вследствие усиления теплового движения молекул и.уменьшение объема при из­менении кристаллической решетки за счет перемещения молекул в пустоты упаковки, При температуре выше 4°С интенсивнее происходит процесс увеличения объема и, следовательно, уменьшения плотности воды за счет увеличения расстояния между ее молекулами; в интервале температур от 0° до 4°С — процесс уменьшения объема и увеличения плотности воды за счет уменьшения пустот в «ажурной» структуре. В момент выравнивания интенсивности обоих процессов, наступающий при 4°С (точнее при 3,98°С), наблюдается наибольшая плотность. Изменение плотности воды на 1°С (температурный градиент плотности) в различных температурных интервалах неодинаково: оно очень мало вблизи температуры наибольшей плотности и быстро воз­растает по мере удаления от нее. При температуре, близкой к 4°С, изменение плотности воды на один градус температу­ры составляет 8-10~⁶, при температуре 30°— 3-10~⁴.

Аномальным свойством является также своеобразное поведение плотности при фазовом изменении состояние воды. В момент образования льда плотность воды скачко­образно уменьшается примерно на 10%. Плотность дистил­лированной воды при 0°С равна 999,87 кг/м³, плотность льда, образовавшегося из той же воды три 0°С, составляет 916.7 кг/м³. Благодаря этому свойству появление льда сопровождается не уменьшением объема, как у большинства других веществ, а, напротив, его увеличением, плавление льда — не расширением, а сжатием. Причина аномалии за­ключается в особенностях структуры воды. При охлажде­нии воды кристаллическая решетка непрерывно деформи­руется, переходя от кварцевой (.более плотной) к (более рыхлой). К моменту замерзания завершается полная перестройка молекул, что и приводит к увеличению объема.

Аномальное значение плотности воды в интервале температур от 0 до 4°С и в момент замерзания играет большую в природе и в технике.

Лекция № 8

Дата добавления: 2014-01-11