Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых случаях так называемого донного льда, о котором подробнее будет идти речь в дальнейшем.

Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях по плотности близки к плот­ности обычного льда (различия в плотности обычно не превышают 6%). Однако в астрофизическом цент­ре университета в Толедо (США, штат Огайо) амери­канскими учеными А. Дальсом и А. Венджером была открыта сверхплотная модификация льда при темпе­ратуре ниже минус 173 °С и давлении (6— 8) -Ю-3 мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см3 (по плотности он близок к гнейсу — 2,4 г/см3). Этот лед аморфен и может играть большую роль в физике планет и комет.

Замерзание природной воды зависит от темпера­туры, давления, минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так, при кон­центрации раствора поваренной соли NaCI  5 г/л он замерзнет при минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус 7,44 °С. Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор от замерзания, происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, при добыче соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося жидкого раствора повышается.

Каждой, температуре соответствует вполне определенная концентрация раствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадет до минус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и соли, называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зу­бова [1945], лед образуется из морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5; при 100 г/л — при 6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.

Лед очень прозрачен для солнечной энергии, осо­бенно для ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо пропускает сол­нечное излучение. Но даже самые тонкие (1—2 мм) слои льда совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагре­вания воды подо льдом. Теплопроводность льда довольно высокая—53·10-4 кал/ (см · сек · °С); для срав­нения: теплопроводность воды—14, а воздуха— 0,57 кал/(см · сек · °С).

излучений и т. д.

1.9   Серебряная вода и ее применение.

Еще 2500 лет назад пер­сидский царь Кир во время походов пользовался водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В древней Индии для обезвреживания воды от патогенной микрофлоры в нее погружали раска­ленное серебро. Многовековой опыт показал, что ионы серебра подавляют размножение многих бак­терий.

Впервые научные наблюдения над серебряной во­дой в конце XIX в. провел швейцарский ботаник К. В. Негели. С тех пор во многих странах было выполнено значительное число работ по изучению эффективных способов ее получения и применения, выпущена обильная литература о серебряной воде. В нашей стране разработаны и выпущены в продажу специальные приборы для получения в домашних условиях  электролитического  раствора  серебра, Серебряная вода использовалась при полетах космо­навтов. В Японии и в США серебро применяется для обеззараживания воды в плавательных бассей­нах, а в Китае — для производства минеральных и фруктовых вод. Серебряная вода может применяться для консервирования сливочного масла, маргарина, меланжа, молока, микстур и даже для ускорения процессов старения вин и улучшения их вкусовых качеств.

Электролитический раствор серебра служит эф­фективным средством при лечении воспалительных и гнойных процессов, желудочно-кишечных заболева­ний, язвенной болезни, холецистита, воспаления глаз, носоглотки, ожогов и т. п. Он применяется также в ветеринарии для профилактических и лечебных це­лей.

Глава 2    Химические свойства воды.

2.1   Характеристика природной воды.

До сих пор мы рассматри­вали особенности «чистой» воды, не существующей в природе. Теперь мы попытаемся дать пока краткую характеристику природной воды, в которой всегда растворены различные газообразные и твердые (а подчас и жидкие) вещества, создающие громадное разнообразие (по минеральному составу) природных растворов.

По содержанию в 1 л воды растворенных веществ различают три группы вод:

Таблица 1

Содержание в 1л. воды растворенных веществ

	Кол-во растворенных веществ, г
Пресные	Менее 1
Минерализованные	1-50
Рассолы	Более 50

В воде могут раствориться все элементы периодической системы, включая и такие почти не растворимые, как кремень (например, кварц – двуокись кремния SiO2). Все зависит от температуры, давле­ния и присутствия в растворе других компонентов. Природные воды могут существовать в температур­ных пределах от близкой к абсолютному нулю (минус 273 °С, или 0°К) до примерно 2000 °С; могут испытывать давление от тысячных долей атмосферы (единицы миллиметров ртутного столба или единицы миллибар) до десятков тысяч атмосфер (порядка 30—40кбар).

2.2   Растворимость газов в воде

В природной воде могут быть растворены газы как воздушного (атмосферного), так и подземного происхождения. В наиболее прес­ной дождевой воде, прежде всего, растворяются ки­слород и азот. Как известно, воздушная смесь газов земной атмосферы в основном состоит из 79 частей азота и 21 части кислорода. Хотя растворимость кислорода почти в два раза выше растворимости азота, все же в воде азота растворяется почти в два раза больше, чем кислорода (рис. 8).

Растворимость в воде газов различна и зависит от ряда факторов: температуры, давления, минерали­зации, присутствия в водном растворе других газов. С повышением температуры до 90 °С растворимость газов в воде снижается, а затем возрастает. Так, в 1 л воды при температуре 20 °С растворяется 665 мл 4630, аммиака—I 300000. Как видно из этих приме­ров, растворимость зависит и от состава самого газа.

Повышение давления влечет за собой увеличение растворимости газов. Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.

При повышении минерализации воды раствори­мость газа падает. Так, при 0°С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л*—только 15, т. е. в три раза меньше.

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что растворимость газа в природной воде при посто­янных температуре и степени минерализации прямо пропорциональна давлению газа на жидкость, для газовых смесей она пропорциональна давлению каж­дого газа в отдельности. Но это справедливо для сравнительно небольших давлений. При значитель­ных давлениях, например на больших глубинах в океане, где давление подчас достигает сотен и даже тысячи атмосфер, на растворимость газов в воде влияет не парциальное давление отдельных газов, а общее давление всего столба воды, но об этом речь впереди.

В растворенном газе дождевой воды углекислоты в 33 раза больше, чем в воздухе, а кислорода в два раза больше.

Углекислый газ поступает в атмосферу (наземную и подземную) преимущественно за счет окисления, брожения и гниения органических остатков и дыха­ния водных организмов. В атмосфере его содержание при парциальном давлении 0,0003 атм невелико - около 0,03%.

В 1 л чистой воды при таком давлении и темпе­ратуре 15 °С может раствориться всего лишь 0,59 мг углекислого газа. В земных недрах на значительных глубинах его содержание может достигать очень больших значений, и источником этого газа чаще служат глубинные процессы выделения его из вещества мантии и нежней литосферы.

2.3   Растворимость твердых веществ в воде.

Процесс растворения твердых веществ в воде можно рассматривать как борьбу двух электростатических сил с противоположными зарядами, присущих ионам твердого вещества, с од­ной стороны, и ионам и молекулам воды — с другой. На рис. 9 показана схема процесса растворения кристалла поваренной соли (NaCI). Оторванные от кристалла заряженные ионы хлора и натрия окру­жаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое вещество выпадает из насыщенного раствора в оса­док. Например, выпадающий из раствора при его пересыщении сульфат кальция (Са[S04]) захваты­вает воду (называемую кристаллизационной) и ста­новится гипсом (Ca[S04] · 2H20). Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с гематитом (железным блеском Fe2Оз), переходя­щим при гидратации в лимонит (бурый железняк HFeO2 · nH2O, где п достигает 4) и т. п.

Процессы гидратации могут происходить настоль­ко быстро и сопровождаться столь значительным увеличением объема, что приводят к нарушениям земной коры, подобно тектоническим дислокациям.

Растворы представляют собой сложные промежу­точные системы между физическими смесями и хими­ческими соединениями. Процесс растворения — про­цесс диффузионный. При достижении предела раст­ворения (при известных температуре и давлении) наступает динамическое равновесие между количе­ствами как растворяемого вещества, так и выпадаю­щего из раствора, образуется насыщенный, или кон­центрированный, раствор. Д. И. Менделеев относил процесс растворения не к физическим, а к хими­ческим процессам на том основании, что нередко при растворении выделяется тепло. Это происхо­дит вследствие химического взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем. Процент­ное содержание воды в некоторых минералах очень велико. Например, мирабилит Na2S04·10H20 содержит 56 вес. % воды,  гидробазалюминит А14[(ОН)10SO4]3 · 36Н2O — 60, сода Na2СOз·10H2О — 55 и т. д.

Твердое вещество образует водный раствор из молекул и ионов с диаметром 1—10А. Но в воде могут содержаться и более крупные частицы: от 10 до 100А, которые образуют чаще всего не истинные, а коллоидные растворы. Если находящиеся в воде частицы еще крупнее, то они не образуют растворов, а создают механические суспензии, взвеси.

Химический состав природных растворов весьма разнообразен. Существует множество классификаций их, построенных по разным принципам. Форма вы­ражения результатов анализов может быть различ­ной: солевая, окисная, атомная и ионная. Последняя, хотя, как и другие, условна, однако в настоящее время признана наиболее удобной, поскольку позво­ляет выражать все, что содержится в воде, вплоть до живых организмов. Именно так и стремился пос­тупать автор классической монографии о природных водах академик В. И. Вернадский. По его классифи­кации природные воды разделялись на 485 видов минералов группы воды (гидридов), причем общее их количество, по его мнению, в действительности должно превысить 1500. Конечно, для практических целей такая классификация затруднительна.

В настоящее время все природные воды по пре" обладающему аниону делят на три класса: 1) хлоридные, 2) сульфатные и 3) гидрокарбонатные.

Каждый класс подразделяется в свою очередь на три группы: 1) кальциевую, 2) магниевую и 3) натриевую, т. е. классификация проводится по катионам. Группы можно делить еще по трем типам, но мы эту классификацию рассматривать не будем. По преобладающему растворенному газу воды могут быть подразделены на азотные, сероводородные, углекис­лые и т. д.

Самыми главными и наиболее распространенными компонентами в природных растворах являются хлор, а затем натрий, далее следуют ионы сульфатный ,гидрокарбонатный HCO3- и карбонатный , кальций Са2+, магний Mg2+ и др.

На рис. 11 показана зависимость растворимости некоторых солей хлора от температуры. Кривые недвусмысленно показывают, что из четырех солей хлора наибольшей растворимостью обладает хлори­стый кальций, а наименьшей хлористый натрий.

Насколько возрастает растворимость солей с по­вышением температуры и давления, рассмотрим на примере самого распространенного в водной среде вещества — хлористого натрия NaCl. При темпера­туре 10°С и давлении 1 бар он растворяется пре­дельно—257 г/кг (насыщенный раствор), а при температуре 500 0С и давлении 1 кбар—в 1571 раз больше (561000 г/кг), т. е. по массе вода как растворитель в 56 раз легче, чем растворяемая соль. В большинстве случаев то же самое происходит и с другими солями. Однако встречаются и исключения. В качестве примера можно привести хромовокислый кальций СаСrO4, растворимость которого при темпе­ратуре 0°С 15,4, а при 100 0С—только 7,1 г/кг. Так же ведут себя гипс CaSO4 · 2H2O в интервале температур 40—100°С, сульфат натрия Na2S04 при 25—100°С и некоторые другие соли.

2.4   Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом.

Выше было сказано, что при некоторых условиях во­да способна расщепляться на два иона: положительно заряженный гидратированный катион Н+ (Н3О+) и отрицательно заряженный анион ОН- (называемый также гидроксилом). Но вода способна не только расщепляться сама, но и расщеплять другие вещества, в ней растворенные, вступая при этом в обменные реакции с присоедине­нием элементов воды (ОН- и Н+. Этот процесс но­сит название гидролиза. В качестве одного из примеров можно привести гидролиз хлористого желе­за, протекающий по следующей схеме:

FeCl3+ЗН2О  Fe(OH)3 + ЗНСl.

В результате гидролиза мы получаем гидрат оки­си железа и соляную кислоту.

Останавливаться сейчас подробнее на гидролизе мы не будем, но просим его запомнить для лучшего понимания последующего. Отметим лишь, что гидро­лизом объясняются белящие свойства хлора, моющее действие мыла. Гидролиз имеет большое применение в промышленности: в паточном производстве, при получении спирта из древесины и во многих других областях производства.

Учитывая тесный контакт подземной воды с вме­щающими ее породами и ее высокую растворяю­щую способность, естественно ожидать влияния на формирование химического состава раствора, каким является природная подземная вода, химического состава вмещающих воду пород. Это иногда и наблюдается в верхних горизонтах литосферы до глубин, различных в разных местах, но не превы­шающих зоны возможного проникновения в породы современных поверхностных вод. Разумеется, мно­гое здесь зависит от растворимости пород и от цело­го ряда превходящих факторов, таких, как темпера­тура, давление, биохимические процессы, наличие тех или иных уже растворенных веществ, в част­ности растворенных или свободных (называемых спонтанными) газов.

Во всяком случае, при циркуляции воды в извест­няках или доломитах и при их выщелачивании обра­зуется гидрокарбонатно-кальциевая, жесткая, вода, а в случае смывания залежей поваренной соли, хлоридно-натриевая. Образование гидрокарбонатно-натриевых (содовых, Na2HCO3) вод объясняется иногда разложением полевых шпатов (например, плагиок­лаза NaAlSi3O8) в присутствии углекислого газа СО2. Воды сульфатного класса в присутствии кисло­рода могут образовываться при их циркуляции в трещиновато-пористых породах, богатых сульфид­ными минералами.

Во всех перечисленных случаях повышенные мине­рализации вод (до рассолов включительно) чаще возможны при интенсивном природном выпаривании подобных растворов. Например, в озерах в районах с жарким климатом. Мы не разделяем мнение мно­гих исследователей, привлекающих эти процессы для объяснения высоких концентраций глубинных рассольных вод.

Химический состав природных растворов выра­жается самыми различными формулами. Вот как с помощью формулы Курлова могут быть выражены результаты анализа морской воды:

Как отмечалось выше, наиболее предпочтительной формой выражения результатов анализа воды явля­ется ионная. При этом содержание того или иного иона дается в граммах или миллиграммах на литр воды. Однако для полной характеристики свойств воды ионная форма недостаточна. В связи с этим наряду с ионной пользуются миллиграмм-эквивалент­ной формой. Пересчет данных анализа на милли­грамм-эквивалентную форму осуществляется деле­нием количества миллиграммов каждого иона в 1 л воды на его эквивалентную массу. Например, разде­лив 10722 мг натрия на его эквивалентную массу, равную 23, получим 466 мг-экв. натрия. Сумма миллиграмм-эквивалентов для катионов и анионов должна быть одинаковой, поскольку каждому экви­валенту катиона соответствует эквивалент аниона.

Страницы: 1, 2, 3, 4