Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

ВВЕДЕНИЕ.. 2

Глава 1       Физические свойства воды. 5

1.1       Чистая вода. 5

1.2        Плотность. 7

1.3       Точки кипения и замерзания (плавления). 9

1.4       Теплота плавления. 11

1.5       Поверхностное натяжение и прилипание. 12

1.6       Теплоемкость воды. 13

1.7       Испарение, транспирация, сублимация и конденсация. 15

1.8       Твердая вода. 16

1.9       Серебряная вода и ее применение. 18

Глава 2       Химические свойства воды. 19

2.1       Характеристика природной воды. 19

2.2       Растворимость газов в воде. 20

2.3       Растворимость твердых веществ в воде. 21

2.4       Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом. 24

Глава 3       Использование воды в современной технике и технологиях. 27

3.1       Морская вода в промышленности. 27

3.2       Морская вода в сельском хозяйстве. 28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 29

ВВЕДЕНИЕ

Хотя все в природе взаимосвязано и каждая де­таль важна, все же отдель­ные явления и предметы бо­лее существенны, а другие менее при естественном равновесии как живой, так и не­живой материи. Ведь нельзя же поставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за­кономерен вопрос: какое ве­щество  является  самым главным, самым важным для нас в окружающем материальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно и однозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всяком случае для нашей планеты Земля.

Если человек спустится в подземные пещеры, то они поразят его сложнейшей системой многоэтажных помещений, ко­ридоров, обширных залов со сводчатыми потолками, причудливой колоннадой, то свешивающейся сверху, то растущей снизу. В этих подземных пустотах подчас встретятся вам журчащий ручей или целое подзем­ное озеро, по которому свободно можно кататься на лодке. Какой архитектор построил этот сказочный подземный дворец? Природная вода!

Обратив свой взор к небу, человек  видит облака или тучи, тянущиеся на десятки, сотни, а иногда и на тысячи километров. Глядя, как легко они плывут в воздушном океане, окружающем нашу планету, некоторые люди думают, что они невесомые. Масса 1 км3 обла­ков около 2000 т, и состоят они опять-таки из природ­ной воды.

Все люди хорошо знают текущие по суше водото­ки — ручейки, речушки, реки. Иногда они низвер­гаются с высоты десятков и сотен метров водопада­ми, на многие сотни метров наполняя воздух мельчай­шей алмазной пылью, переливающейся в лучах солнца всеми цветами радуги. Иногда образуют мощные пенящиеся стремнины, вытачивающие в ска­лах причудливые формы. Крупные водотоки на сотни километров пропиливают даже в плотных породах широкие, до десятка километров, и глубокие, до многих сотен метров, долины. Все это делает сила природной воды.

Но если обратиться к самым страшным из из­вестных нам катастроф, которые переживали наша планета за геологическое время, а человечество за время своего, правда, короткого существования, та­ким, как тайфуны, смерчи, цунами, земле- и моретря­сения, извержения вулканов, когда нередко за немно­гие часы, а то и минуты уничтожались целые города и гибли сотни тысяч людей, и если мы попытаемся -вскрыть механизм природного аппарата, который вы­звал эти ужасные катастрофы, то увидим, что и в этом случае принимала участие природная вода!

Большая часть поверхности нашей планеты, около 71%, покрыта Мировым океаном, составляющим 97% всех поверхностных вод Земли и около половины всех вод литосферы. Глубина Мирового океана до­стигает 11 км. Если срезать сушу и заполнить ею дно океанической чаши, то вся планета покроется слоем воды глубиной около 3 км.

Почва и все породы, слагающие литосферу (зем­ную кору), также всегда содержат воду. Это утверждение справедливо не только для увлаж­ненных районов. Оно достоверно даже для таких мест, где годами не выпадает ни одной капли дож­дя. Это справедливо и для всех участков величай­шей «безводной» пустыни—Сахары. Да что Саха­ра! На нашей планете нет ни одного естественного предмета, тела, пылинки, которые были бы лишены воды. Все живое и неживое содержит ее. В огненной магме, изливающейся из жерл вулканов, также есть вода, причем в немалом количестве.

Да и человек,  на 70% состоит из воды. Чего больше всего в нашей твер­дой и жидкой пище — в овощах, мясе, рыбе, хлебе, крупе, молоке? Природной воды! С каким веществом впервые знакомится новорожденный? С водой, в кото­рой его купают. Даже в первом вздохе новорожденный получает воду, которая всегда содержится в воз­духе. Где лучше всего во время отдыха чувствует себя здоровый человек? Конечно, во время купанья в теп­лой морской, озерной или речной воде. Недаром не­которые биологи предполагают, что колыбелью жизни на Земле были мелководные лагуны, даже и в том случае, если жизнь зародилась не на планете Земля, а была занесена на нее из межпланетного простран­ства в форме спор одноклеточных организмов.

Итак, кругом, всюду и везде, всегда и во всем,— природная вода! Воду с полным правом можно наз­вать вездесущей. Это не поэтическая гипербола.

Действительно, человечество во все времена стре­милось к познанию этого удивительного вещества — воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так, еще шесть тысячелетий назад у шумеров  существо­вали космогонические представления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба, а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».

В Месопотамии, в Вавилоне (в переводе с аккад­ского—врата бога), расположенном на месте более древнего шумерского города Кадингирра, возникла поэма «О сотворении мира», в которой задолго до появления Библии описаны всемирный потоп и борьба божества, охраняющего мировые воды, с чудовищем преисподней.

Тысячелетием позже древние египтяне согласно господствовавшей в их стране космогонической теории утверждали, что вначале не было ни неба, ни земли; окруженную густым мраком Вселенную напол­няла первичная вода.

Две тысячи шестьсот лет назад древнегреческий философ Фалес Милетский считал воду первоисточни­ком всего сущего.

В средние века алхимики приписывали воде совер­шенство, обозначая ее в виде опрокинутого равносто­роннего треугольника Δ. «Тела не действуют, если не растворены» — одно из основных положений алхимии, не утерявшее во многом справедливости и поныне.

Крупный немецкий профессор Ф. Ауэрбах писал:

«Самое удивительное и самое лучшее — это вода». Американские физик Дж. Дэй и химик К. Девис на­зывали воду зеркалом науки. Перефразируя это удач­ное утверждение, автор с неменьшим основанием может сказать, что отношение к воде — зеркало уче­ного-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней от­носится, тем выше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на то, что без воздуха жизнь возможна (анаэробы), а без воды ее нет.

Известный французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери сказал о природной воде следующее: «Нельзя сказать, что ты необходима для Жизни, ты сама Жизнь... Ты самое большое богатство в мире».

Один из крупнейших специалистов по физической химии воды Э. X. Фрицман в своей классической мо­нографии о природе воды [1935] утверждал: «Ни одно из природных веществ не играет такой выдаю­щейся и существенной роли на поверхности земного шара и в прилегающих слоях, как вода... наука и тех­ника подтвердили старое основное положение челове­чества: вода есть то, из чего происходит все, другими словами название aqua  вполне себя оправдывает:  aqua omnia sunt [1935, с. 5, 157].

Лучше всех из современных мыслителей значение воды определил крупнейший ученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минера' лог, академик В. И. Вернадский: «Вода стоит особня­ком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических про­цессов. Нет земного вещества—минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено» [1960,с. 16].

Глава 1    Физические свойства воды.

Среди всех веществ, изучаемых физиками и

физико-химиками, вода во многих

отноше­ниях является самым трудным.

В. В. Шуленкин, 1968

1.1   Чистая вода.

Разумеется,   под чистой водой мы подразумеваем не санитарно     безупречную жидкость, а воду, отвечаю­щую по составу привычной нам со школьной скамьи химической формуле Н2О. При этом относительная атомная масса водорода, входящего в состав соедине­ния, равна 1, а кислорода 16, никаких других веществ в форме растворенных или взвешенных примесей вода не содержит. Такой окиси водорода, состоящей из двух весовых частей водорода и шестнадцати весо­вых частей кислорода, в природе в чистом виде не существует, да и искусственно получить такое веще­ство даже в современных лабораториях крайне труд­но, а если и возможно, то только на очень короткий отрезок времени, измеряемый секундами. [3]

Природная вода, где бы она ни находилась и в ка­ком бы агрегатном состоя­нии (газообразном, жидком или твердом) ни была, всегда представляет собой раствор других веществ, газообразных, жидких или твердых, а также содер­жит подчас в незначительных количествах другие воды (с другими относительными атомными массами водорода и кислорода и другими свойствами). Стало быть, вода — понятие собирательное.

Что же представляет со­бой та идеальная «чистая» вода Н2О с физической точки зрения? Как и боль­шинство веществ, вода состоит из молекул, а послед­ние из атомов. Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на опре­деленных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго опреде­ленное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода — две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью. Образование молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 1). Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости.

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

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

1.2  
Плотность.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3   Точки кипения и замерзания (плавления).

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

Страницы: 1, 2, 3, 4