Удивительные свойства воды - Химия - Скачать бесплатно
отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей
101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды
отвечает точке D, кипение воды — точке Е, нагревание или охлаждение воды —
отрезку DE и т. п.
Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или
практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме
состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть
особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при
давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при
атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его
сублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.
Гл 6. Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с
молекулами Н[pic]О также незначительное количество молекул D[pic]O,
образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются
преимущественно молекулы Н[pic]О. Поэтому при длительном электролизе воды
остаток постепенно обогащается молекулами D[pic]O. Из такого остатка после
многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить
небольшое количество воды, состоящей почти на 100% из молекул D[pic]О и
получившей название тяжелой воды.
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды
(таблица). Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной.
Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных
реакторах.
|Константа |Н[pic]О |D[pic]О |
|Молекулярная масса |18 |20 |
|Температура замерзания, °С, |0 |3,8 |
|Температура кипения, °С, |100 |101,4 |
|Плотность при 25°С, г/см |0,9971 |1,1042 |
|Температура максимальной |4 |11,6 |
|плотности, °С | | |
Гл. 7. Ионный состав природных вод. Происходящее в почвах процессы
окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение
углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает
содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами
кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей
типа:
CaCO3 + H2O + CO2 ( Ca(HCO3)2
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных
количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют
подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение,
фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают
воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс,
каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью
адсорбировать из природной воды некоторые ионы (например, Ca2+ , Mg2+),
замещая их эквивалентным количество других ионов (Na+ , K+).
Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты
натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы
(граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей
углекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенными в природных водах являются следующие ионы:
Cl- ,SO[pic] ,HCO[pic] ,CO[pic] ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его
содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также
распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде
сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона
обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных
водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является
характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое
место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния -
доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния
позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших
концентрациях, чем ионов кальция.
Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной
кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для
поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно
выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония,
нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ
животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают
в водоемы со сточными промышленными водами.
Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем
переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или
кислот (угольной, органических). Так например, при окислении весьма
распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:
FeS2 + 4O2 ( Fe2+ + 2SO[pic], а при действии угольной кислоты -
карбонат железа:
FeS2 + 2H2CO3 ( Fe2+ + 2HCO3 + H2S + S.
Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой
кислоты. При pH < 8 кремниевая кислота находится практически в
недиссоциированном виде; при pH >8 кремниевая кислота присутствует
совместно с HSiO[pic], а при pH >II - только HSiO[pic]. Часть кремния
находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2(H2O , а также в
виде поликремневой кислоты: X(SiO2(Y(H2O. В природных водах присутствуют
также Al3+ ,Mn2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и
органические и грубоцисперсные взвеси. Наиболее распространенными в
природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником
кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы,
происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.
Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые
вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и
др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих
водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате
отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается
взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.
Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод,
представляют собой вещества минерального и органического происхождения,
смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время
весенних паводков.
Гл. 8. Подземные воды. Советский ученый Лебедев на основе
многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и
грунтах. Представления А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более
поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных
породах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.
Парообразованная вода занимает в породе поры, не заполненные жидкой
водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или потоком
воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары переходят в другие
виды влаги.
Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода
удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при
взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными
катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и
рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под
давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из
глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается
лишь при температуре 150 - 300оС. Чем меньше минеральные частицы, слагающие
породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее
количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или
пленочная, вода образует плёнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается
слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением. Особенно важную
роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на
прочностные свойства глин и фильтрационную способность.
Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении
кристаллических решёток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит
в состав кристаллической решётки. Гипс, например, содержит две молекулы
воды CaSO4(2H2O. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит
(CaSO4).
Известно, что при температуре около 4оС вода имеет максимальную
плотность 1,000 г/см3. При 100оС её плотность - 0,958 г/см3, при 250оС -
0,799 г/см3. За счет пониженной плотности происходит конвективное,
восходящее движение нагретых подземных вод.
Принято считать, что вода практически несжимаема. Действительно,
коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долю первоначального
объема уменьшится объём воды при увеличении давления на I aт, очень мал.
Для чистой воды он равен 5(10-5 I/ат. Однако упругие свойства воды, а также
водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике. За
счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление
действуют на плотность воды в противоположном направлении.
Плотность подземных вод зависит также от их химического состава и
концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к
1 г/см3, то плотность концентрированных рассолов достигает 1,3 - 1,4 г/см3.
Повышение температуры приводит к значительному уменьшению вязкости
подземных вод и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие
поры.
Подземные воды исключительно разнообразны по свому химическому
составу. Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду с низким
содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л., а в одной из
скважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 г/л.
Гл. 9. Основные методы очистки сточных вод. Методы, применяемые для
очистки производственных и бытовых сточных вод, можно разделить на три
группы: механические; физико-химические, биологические. В комплекс очистных
сооружений, как правило, входят сооружения механической очистки. В
зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями
биологической либо физико-химической очистки, а при более высоких
требованиях в состав очистных сооружений включаются сооружения глубокой
очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются,
образующийся на всех стадиях очистки осадок или избыточная биомасса
поступает на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут
направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий,
на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный
осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.
Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод
нерастворенных минеральных и органических примесей. Как правило, она
является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки
сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В
результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ
до 90%,а органических веществ до 20%. В состав сооружений механической
очистки входят решетки, различного вида уловители, отстойники, фильтры.
Песколовки применяются для выделения из сточных вод тяжелых
минеральных примесей, в основном песка. Обезвоженный песок при надежном
обеззараживании может быть использован при производстве дорожных работ и
изготовлении строительных материалов. Усреднители применяются для
регулирования состава и расхода сточных вод. Усреднение достигается
либо дифференцированием потока поступающей сточной воды, либо
интенсивным перемешиванием отдельных стоков. Первичные отстойники
применяются для выделения из сточных вод взвешенных веществ, которые под
действием гравитационных сил оседают на дно отстойника, или всплывают на
его поверхность.
Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при
концентрациях более 100 мг/л применяют нефтеловушки. Эти сооружения
представляют собой прямоугольные резервуары, в которых происходит
разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и
нефтепродукты всплывают на поверхность, собираются и удаляются из
нефтеловушки на утилизацию.
Биологическая очистка – широко применяемый на практике метод
обработки бытовых и производственных сточных вод. В его основе лежит
процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в
сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом
микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и ряд
более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д.,
связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями
(метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Химические и физико-химические методы очистки играют значительную роль
при обработке производственных сточных вод.
Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими
и биологическими методами.
Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод
многих отраслей промышленности, содержащих щелочи и кислоты. Нейтрализация
сточных вод осуществляется с целью предупреждения коррозии материалов
водоотводящих сетей и очистных сооружений, нарушения биохимических
процессов в биологических окислителях и водоемах.
Гл. 10. Опыты.
Опыт №1
Разложение воды электрическим током.
Цель: доказать опытным путём, что при разложении воды электрическим током
выделяется кислород и водород.
Оборудование: 1) вода;
2) чаша;
3) источник тока;
4) поваренная соль (NaCl);
5) провода.
Ход работы: 1) Собрать прибор для разложения воды
электрическим током.
2) Дистиллированная вода электрический ток не проводит, но при добавлении
поваренной соли (NaCl) – отличный проводник электричества.
Наблюдения: При разложении воды электрическим током, я заметил, что на
проводе с отрицательным зарядом бурно выделялись пузырьки газа, а на
проводе с положительным зарядом они только скапливались у их кончиков. Так
как в молекуле воды (Н2О) на два атома водорода приходится один атом
кислорода то, тот газ, который бурно выделялся, будет водородом, а тот,
который только скапливался на концах проводов – кислородом. Вскоре провод с
выделяющимся кислородом начал окислятся - он почернел и распался, а на
проводе, на котором выделялся водород, образовался белый «налёт». Через
некоторое время разлагающаяся вода приобрела голубоватый оттенок.
Опыт №2
Выращивание кристаллов.
Цель: вырастить кристаллы алюмокалиевых квасцов (KAl(SO4)2 [pic]12H2O) и
железного купороса (FeSO4 [pic] 7H2O).
Оборудование: 1) химические стаканы;
2) шерстяные нитки;
3) соли;
4) вода;
5) палочка.
Ход работы: Кристаллы выращивают в основном способом постепенного
охлаждения насыщенного раствора, так как это позволяет в более короткие
сроки вырастить большие кристаллы правильной формы. В научной и
методической литературе описываются различные методы выращивания
кристаллов.
Насыщенные растворы солей готовят при температуре 70 – 80 °С.
Алюмокалиевые квасцы (KAl(SO4)2 [pic]12H2O): 150 – 200 г на 500 мл.
Железный купорос (FeSO4 [pic] 7H2O): 200 – 250 г на 500 мл. [1]
Приложение
[pic]
рис.1 Разложение воды электрическим током
[pic]
рис.2 Выращивание кристаллов
Заключение.
Выводы:
1. Вода - это жидкость без цвета, вкуса и запаха, температура плавления -
0 °С, температура кипения - 100 °С, удельная теплоемкость - 4,18
Дж/(г[pic]К);
2. Вода имеет химическую формулу H2O, молекула воды имеет угловое
строение;
3. Вода существует в трех агрегатных состояниях - жидком, твердом и
газообразном;
4. Вода - реакционноспособное вещество.
5. Ионный состав различных природных вод заметно отличается.
6. Существуют разные методы очитски воды.
На практике были проведены опыты, и описаны результаты эксперимента с
участием воды.
Результаты опытов оформлены в приложении.
В дальнейшем намечена программа по экспериментальному и теоретическому
изучению воды.
Список использованной литературы:
1. Алексинский В.Н. Занимательные опыты по химии: Пособие для учителей.
– М.: Просвещение, 1980 – 127 с.
2. Ахметов Н.С. Неорганическая химия. - М., 1992г.
3. Глинка Н.А. Общая химия. - Л. 1989г.
4. Глобальная сеть «Интернет».
5. Детская энциклопедия. Техника и производство. – М., 1972г.
6. Криуман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Ч.1. Пособие
для учащихся – М.: Просвещение, 1983г. – 320с.
7. Ливчак И. Ф., Воронов Ю.В.,"Охрана окружающей среды".
8. Панина Е.Ф., “Состав, свойства и методы очистки сточных вод
предприятий горной промышленности”, 1990г.
9. Прокофьев М.А. Энциклопедический словарь юного химика. – М., 1982г.
10. Сергеев Е.М. , Кофф Г.Л. «Рациональное использование и охрана
окружающей среды городов».
11. Фадеев Г.Н. Химические реакции: Пособие для учащихся. –
М.: Просвещение, 1980г. – 176 с.
12. Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы. – М., ОНИКС,
2000г. – 464с.
13. Чернова Н.М., Былова А.М., "Экология".
|
