Вода и ее применение в современных технологиях - Технология - Скачать бесплатно
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 ?. «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].
Физические свойства воды.
Среди всех веществ, изучаемых физиками и
физико-химиками, вода во многих
отношениях является самым трудным.
В. В. Шуленкин, 1968
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).
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.
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.
Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания
(плавления) воды, с повышением давления она падает (но только до давления
2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды
начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380
атм—при 0°С, при 16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В
последних двух случаях мы уже имеем горячие льды. Возможно ли существование
в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно
циркулирующих в породах Земли водах, безусловно, нет, так как даже на
границе нижней литосферы и верхней мантии, называемой границей Мохоровичича
(как мы увидим из дальнейших глав), где давление приблизительно 10000 атм,
температура никак не может быть равна 30 "С,
а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего
льда здесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исключаются
давления выше 6000 атм, которые необходимы для образования горячего льда.
При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения
воды (соответственно 0 и 100°С). Если взять ряд соединений водорода с
элементами группы Via периодической системы Менделеева — Н2Те, H2Se H2S и
H2O — с учетом их относительной молекулярной массы, то окажется, что точки
замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех
других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса,
тем выше точки кипения и замерзания. Точка замерзания воды должна была бы
находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она
приходится на ±0 °С. То же самое можно сказать о точке кипения воды,
которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).
При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительной
температуре. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по
нему газ (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода.
Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно
больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению
температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед»
содержит много газа (газогидрат).
Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности
термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и
газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необыкновенным.
4 Теплота плавления.
Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, не
очень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока —
около 80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа —
6, серы—9,5 и свинца—5,5 кал/г). Как же проявляется эта аномалия? Лед при
давлении 1 атм может иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Казалось
бы, чем ниже температура льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы
растопить его. Этот вывод как будто настолько естествен, что непосвященный
в физику тепла вряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод
не бесспорен. Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота
плавления составит не 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и
довольно неожиданная аномалия. С каждым градусом понижения температуры льда
теплота плавления уменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это
тем, что удельная теплоемкость у льда меньше, чем у воды.
Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз выше, чем
скрытая теплота плавления. Чтобы превратить жидкую воду с температурой 100
°С в пар с такой же температурой, нужно затратить поистине гигантскую
энергию, в то время как '/з этой энергии вполне достаточно, чтобы
превратить в пар спирт, и '/в, чтобы жидкую ртуть сделать парообразной.
Можете теперь себе представить, какой громадной внутренней энергией в
скрытой форме обладает водяной пар, и это только при 100 °С! А если его
нагреть до 500 °С, то 1 г его потенциально будет содержать порядка 1000 кал
тепла. К сожалению, реализовать эту скрытую энергию практически очень
трудно.
Как известно, пар используется в паровых машинах, которых становится
все меньше и меньше из-за исключительно низкого (ниже) к. п. д. и не только
в силу невозместимых естественных потерь на трение, излучение,
теплопроводность и других, но и по причинам малой разности температур между
границами существования воды, а также малого контраста между температурой
окружающего воздуха и точкой парообразования. Эти обстоятельства в
настоящее время заставляют заменить паровые двигатели двигателями
внутреннего сгорания, электрическими и другими.
Что же касается скрытой теплоты парообразования, то тут аномальности
не наблюдается. Чем холоднее жидкая вода, тем больший приток тепла нужен
ей, чтобы обратить ее в пар. Так, при 0°С теплота парообразования 587 кал,
при 50 °С — 568, а при 100 °С — 536, при 150 °С — 446 кал.
5 Поверхностное натяжение и прилипание.
Поверхностное натяжение — это способность пограничных молекул воды, а
также твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). На
поверхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения,
для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать,
не погружаясь в воду, предметы, которые в 8 раз и более тяжелее воды,
например лезвие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение
воды при 18°С составляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните:
для спирта оно составляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см).
Только ртуть имеет еще более высокое поверхностное натяжение — 500 дин/см.
Теоретически установлено, что для разрыва столбика чистой воды
диаметром 2,5 см потребуется приложить усилие 95 те. Поскольку, как уже
упоминалось выше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных
условиях получить ее почти невозможно, то в условиях эксперимента с не
совсем чистой водой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см2 потребуется
усилие в пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.
У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание»
(адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах),
где вода
Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких
трубках сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом
слое со способностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В
результате в капилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного
уровня воды. У ртути, обладающей более высоким поверхностным натяжением,
адгезия отсутствует, поэтому ртуть в капиллярной трубке имеет не вогнутую,
а выпуклую поверхность. Необходимо заметить, что к поверхностям, покрытым
жировым слоем, например парафином, вода не прилипает и мениск ее в
капилляре, подобно мениску ртути, будет не вогнутый, а выпуклый.
Существует понятие капиллярной постоянной, которая равна произведению
высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для
чистой воды линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижении
критической (см. ниже) становится равной нулю. Предельная высота
капиллярного подъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в
мелком 1,2 м, а в чистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для
крупных капилляров—5—10 суток, а для мелких до 16 месяцев.
6 Теплоемкость воды.
Остановимся
|
