Мир воды
Реферат на тему:
Мир воды.
Выполнила: Суббота Яна
11”А” класс.
Харьков
1999 г.
Основная тема: в этом реферате я хочу рассказать о самом необыкновенном в мире веществе – ВОДЕ.
Содержание
Что такое вода?…………………………………………………………3
Сколько существует различных водородов?………………………….3
Сколько на свете кислородов?…………………………………………3
Сколько иожет быть различных вод?………………………………….3
Что же такое обыкновенная вода?……………………………………..4
Что такое легкая вода?………………………………………………….4
Что такое тяжелая вода?………………………………………………..4
Бывает ли полутяжелая вода?…………………………………………..5
Что такое “нулевая вода”?………………………………………………5
А может быть, есть еще какая – нибудь вода?…………………………5
А радиоактивная вода существует?…………………………………….5
Зачем нужна тяжелая вода теперь?……………………………………..6
Зачем ещё нужна тяжелая вода?………………………………………...6
Почему вода – вода?……………………………………………………..6
Как построена молекула воды?…………………………………………7
Как построена молекула льда?………………………………………….8
При какой
температуре
вода должна кипеть?…..…….……………8
При какой
температуре
вода замерзает?…………………………….8
Сколько существует газообразных состояний воды?…………………..9
Сколько существует жидких состояний воды?…………………………9
Что должно быть легче – вода или лед?…………………………………9
Сколько существует льдов?………………………………………………9
Что нужно, чтобы лед растаял?…………………………………………..10
Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?…………………………….10
Как вода попадает в облака?……………………………………………..10
Почему в море вода соленая?…………………………………………….11
Расподаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы?…………...11
Почему вода “мокрая”?……………………………………………………11
Какую форму имеет вода?…………………………………………………12
БЕСЕДА О САМОМ НЕОБЫКНОВЕННОМ В МИРЕ
ВЕЩЕСТВЕ.
Что такое вода?
Такой вопрос может показаться не только странным, но и немного невеж-ливым. Кто же этого может не знать? Всякий знает, что вода – это соедине-ние водорода и кислорода. Вот ее всем извесная формула:
С водой очень хорошо знаком каждый, кто привык умываться по утрам,
пьёт чай, умеет плавать, любит бегать под дождем, не боясь промокнуть, кататься на коньках, и ходить на лыжах.
Сколько существует различных водородов?
В природе существует три
различных водорода – три его изотопа.
Самый легкий -
.
Химики его часто называют протием.
Водород в обычной воде почти нацело
состоит из протия. Кроме него, во всякой
воде есть тяжелый водород – дейтерий
,
его чаще, в химии обозначают симвллом
D. Дейтерия в воде очень
мало. Но на каждые 6700 атомов протия в
среднем приходится только один атом
дейтерия. Кроме протия и дейтерия,
сущест-вует еще сверхтяжелый водород
-
.Его
обычно называют тритием и обозначают
символом Т. Тритий радиоактивен, период
его полураспада немного больше 12 лет.
Он непрерывно образуется в стратосфере
под действием космического излучения.
Кол – во трития на нашей Земле исче-зающе
мало – меньше одного килограмма на всем
земном шаре; но, несмотря
на это, его можно обнаружить повсюду, в
любой капле воды.
Физики научились получать тритий искусственно в ядерных реакторах.
Так же ученые обнаружили,
что возможно существование четвертого
изотопа водорода -
и
даже пятого -
.
Они тоже должны быть радиоактивными.
Сколько на свете кислородов?
В природе найдены три
различных изотопа кислорода. Больше
всего легкого кислорода
,
значительно меньше тяжелого
и
совсем мало кислорода
.
В кислороде воздуха, которым мы дышим,
на каждые десять атомов
приходится
55 атомов
и
более 26000 атомов изотопа кисло-рода
.
Физики сумели создать в
своих ускорителях и реакторах еще четыре
радиоактивных изотопа кислорода:
,
,
и
.
Все они живут очень не долго и через
несколько минут распадаются.
Сколько может быть различных вод?
Если подсчитать все возможные
соединения с общей формулой
,
то результат покажется неожиданным:
всего могут сушествовать сорок две
различных воды. Из них тридцать три воды
будут радиоактивными, но и стабильных,
устойчивых вод будет тоже немало –
девять:
Если же подтвердится, что
существуют еще два сверхтяжелых изотопа
водорода -
и
,
то будут возможны уже сто пять различных
типов молекул воды.
Подсчитайте сами, сколько различных вод, молекулы которых содержат тритий, могут образовываться на границе с космосом и постепенно вместе с дождями выпадать на землю. Попробуйте сосчитать также, сколько различных радиоактивных вод возникает в воде, охлаждающей атомный реактор.
Где бы в мире ни зачерпнуть стакан воду, в нем окажется смесь различ-ных молекул, неодинаковых по изотопному составу.
Что такое обыкновенная вода?
Такой воды в мире нет. Нигде нет обыкновенной воды. Она всегда необык-новенная. Даже по изотопному составу вода в природе всегда различная.Она зависит от истории воды – от того, что с ней происходило в бесконечном многообразии ее круговорота в природе. При испарении вода обогащается протием, и вода дождя поэтому отлична от воды озера. Вода реки непохожа на морскую воду. В закрытык озерах вода содержит больше дейтерия, чем вода, горных ручьев. В каждом источнике свой изотопный состав воды.
Когда зимой замерзает вода в озере, никто из тех, кто катается на коньках, и не подозревает, что изотопный состав льда изменился. В нем уменьшилось содержание тяжелого водорода, но зато повысилось кол – во тяжелого кислорода. Поэтому вода из растаявшего льда уже другая, и отличается от той воды, из которой лед был получен.
Если воду разложить химически и сжечь добытый из нее водород, то получится снова вода, но совсем другая,потому что в воздухе изотопный состав кислорода отличается от среднего изотопного состава кислорода воды. Но зато, в отличии от воды, изотопный состав воздуха один и тот же на всем земном шаре.
Вода в природе не имеет постоянного изотопного состава, она вечно меняется, и только поэтому нельзя сказать, что где – то есть какая – то обыкновенная вода.
Что такое легкая вода?
Это та самая вода, формулу
которой знают все школьники -
.
Но такой воды в природе нет.Такую воду
с огромным трудом приготовили ученые.
Она им понадобилась для точного измерения
свойств воды, и в первую очередь для
измерения ее плотности. Пока такая вода
существует только в нескольких крупнейших
лабораториях мира, где изучают свойства
различных изотопных соединений.
Что такое тяжелая вода?
И этой воды в природе нет.
Строго говоря, нужно было бы называть
тяжелой водой, состоящую только из одних
тяжелых изотопов водорода и кислорода
-
;
но такой воды нет даже и в лабораториях
ученых. Пока она еще никому ненужна и
незачем ее готовить. Конечно, если эта
вода понадобиться науке или технике,
ученые сумеют найти способ, как ее
получить: и дейтерия, и тяжелого кислорода
в природной воде сколько угодно.
В науке и ядерной технике принято условно называть тяжелой водой тяжеловодородную воду. Она содержит только дейтерий, в ней совсем нет обычного легкого изотопа водорода. Изотопный состав по кислороду в этой воде соответствует обычно составу кислорода воздуха.
Еще совсем недавно никто в мире и не подозревал, что такая вода существует, а теперь во многих странах мира работают гигантские заводы, перерабатывающие миллионы тонн воды, что бы извлечь из неё дейтерий и получить чистую тяжелую воду (1,1 OH).
Бывает ли полутяжелая вода?
Полутяжелой водой можно назвать воду со смешанными молекулами состава HDO. Она есть во всякой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, потому что в воде всегда протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую. Приготовить воду, средний состав которой будет соответствовать формуле полутяжелой воды, нетрудно. Но благодаря реакции обмена
она будет представлять собой
смесь молекул с разным изотопным
составом:
,
,
.
Что такое “нулевая” вода?
Нулевая вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эту воду физико – химики выбрали в качестве эталона: у нее постоянный состав. Ее не так уж трудно получить, и с ней удобно сравнивать воду неизвестного свойства определив разницу, в плотности, легко найти содер-жание дейтерия.
А может быть, есть еще какая – нибудь вода?
Кроме всех перечисленных
вод, еще существует тяжелокислородная
вода -
.
Получать ее из природной воду очень
сложно и трудно. До сих пор эту воду в
чистом виде еще, пожалуй, никто не сумел
приготовить.
Тяжелокислородная вода очень нужна для исследования многих биохимических процессов, поэтому довольно концентрированные растворы этой воды в воде обычно получают теперь на заводах.
А радиоактивная вода существует?
Да. Физики научились получать тритиевую воду искусственным путем в атомных реакторах. Из – за сильной радиоактивности эта вода очень опасна. Пока такая вода нужна только ученым.
Зачем нужна тяжелая вода теперь?
В наши дни тяжелая вода успешно применяется в атомной энергетике для замедления нейтронов в ядерных реакторах.
Самым лучшим заменителем мог бы быть легкий водород, но он заметно поглощает нейтроны.Тяжелый водород их почти не поглощает. Нейтрону, попавшему в тяжелую воду, достаточно всего 25 раз столкнуться с тяжелым водородом, чтобы потерять свою высокую энергию и приобрести способ-ность взаимодействовать с ураном. Неплохой замедлитель – углерод в форме графита, но нейтрону в нем приходится испытывать около 140 столкновений, чтобы утпатить начальную скорость.
Использование тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет конструк-торам создавать оченьэффективные, а главное, легкие и компактные атомные энергетические установки, особенно для их применения на транспорте.
Зачем еще нужна тяжелая вода?
Чтобы исследовать механизм многих химических, физических и биологи-ческих процессов. Это, конечно, странное, но очень важное применение тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в котором не принимала бы участие вода или водород. Атомы тяжелого водорода наиболее важные меченые атомы. Их, как разведчиков в бой, направляют химики в исследуемые реакции, чтобы проследить за ее ходом. В наши дни уже возникла и быстро развивается самостоятельная область науки – химия изотопного обмена. Наиболее важная ее задача – изучить с помощью дейте-рия механизм химических реакций при получении органических соединений и исследовать их строение.
Так же установлено, что из воды можно получать энергию.
СВОЙСТВА ВОДЫ.
Почему вода – вода?
Этот вопрос совсем не так неразумен, как это может показаться. В самом деле, разве вода – это только та бесцветная жидкость, что налита в стакан?
Океан, покрывающий почти всю нашу планету, всю нашу чудесную Землю, в которой миллионы лет назад зародилась жизнь, - это вода. Тучи, облака, туманы, несущие влагу всему живому на земной поверхности, - это ведь тоже вода. Бескрайние ледяные пустыни полярных областей, снеговые покровы, застилающие почти половину планеты, - и это вода.
Прекрасно, невоспроизводимо бесконечное многообразие красок солнеч-ного заката, его золотых и багряныхпереливов; торжественны и нежны краски небосвода при восходе солнца. Эта обычная и всегда необыкновенная симфония цвета обязана рассеянию и поглощению солнечного спектра водяными парами в атмосфере. Этот великий художник природу – вода.
Горные цепи сложены гиганскими толщами сотен различных горных пород, и геологи знают, что большинство из них созданы величайшем строителем природы – водой. Непрерывно изменяется облик Земли. На месте, где возвышались высочайшие горы, расстилаются бесконечные равни-ны, их создает великий преобразователь – вода.
Безгранично многообразие жизни. Она всюду на нашей планете. Но жизнь есть только там, где есть вода. Нет живого существа, если нет воды.
Почему же одно из бесчисленных химических соединений с простой и ничем не примечательной формулой, состоящее из двух обычных для мироздания элементов, молекула которого состоит всего из трех атомов, - простая окись водорода, самая обычная вода, занимает столь особое место в жизни природы? Чем объясняется такая исключительная роль воды?
Среди
необозримого множества веществ вода с
ее физико – химическими свойствами
занимает совершенно особое, исключительное
место. И это надо понимать буквально.
Почти все физико – химические свойства
воды - исключения в природе. Она
действительно самое удивительное
вещество на свете. Она удивительна не
только многообразием изотопных форм
молекулы и не только как неиссякаемый
источник энергии. Она удивительна своими
самыми обычными свойствами. Простое
химическое соединение с простей-шей
формулой
заняло особое место на нашей чудесной
планете благода-ря изумительному
сочетанию необычайных свойств.
Как построена молекула воды?
Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она построена вот так:
Хорошо изучено и измерено расположение ядер атомов водорода и кислоро-да и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть “сбоку”, можно было бы изобразить вот так:
а если взглянуть “сверху” – со стороны атома кислорода, то так:
т.е геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.
Такое строение ведет к возникновению необычайно сильного взаимного притяжения молекул воды друг к другу: каждая молекула воды может обра-зовать четыре одинаковые водородные связи с другими молекулами воды.
Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.
Как построена молекула льда?
Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему замечательному строению соединены в куски льда друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуре льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узо-ров на замерзших оконных стеклах.
При какой температуре вода должна кипеть?
Этот вопрос, конечно,
странен. Ведь вода кипит при ста градусах.
Это знает каждый. Больше того, всем
известно, что именно температура кипения
воды при давлении в одну атмосферу и
выбрано в качестве опорной точки
температурной шкалы, условно обозначенной
Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в переоди-ческой системе Менделеева.
Чем меньше атомный номер
элемента, чем меньше его атомный вес,
тем ниже температура кипения его
соединений. Вода по химическому свойству
может быть названа гидридом кислорода.
- химические аналоги воды. Если проследить
за температурами их кипения и сопоставить,
как изменяются температуры кипения
гидритов в других группах периоди-ческой
системы, то можно довольно точно
определить температуру кипения любого
гидрита, так же как и любого другого
соединения.
Если же определить температуру
кипения гидрита кислорода по положе-нию
его в периодической таблице, то окажется,
что вода должна кипеть при
ниже нуля. Следовательно, вода кипит
приблизительно на сто восемьде-сят
градусов выше, чем должна кипеть.
Температура кипения воды – это наиболее
обычное ее свойство – оказывается
необычайным и удивительным.
При какой температуре вода замерзает?
Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущий? Ну кто не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить, при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей хими-ческой природой. Оказывается, гидрид кислорода на основании его положе-ния в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.
Вода на самом деле удивительное вещество. Ее, пожалуй, даже можно назвать непослушным веществом. Она не подчиняется многим физико – химическим закономерностям, справедливым для других соединений, пото-му что взаимодействие ее молекул необычайно велико и требует особенно интенсивное тепловое движение молекул, чтобы преодолеть дополнительное притяжение. Это и приводит к такому неожиданному и резкому повышению температур ее кипения и плавления.
Сколько существует газообразных состояний воды?
Только одно – пар.
Сколько существует жидких состояний воды?
На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно – привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкновенными свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой, простой, казалось бы не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода– единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Эту ред-костную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершенно необыкновен-ного состава: это раствор воды в воде.
При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворены в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разру-шаются, и поэтому плотность воды снова падает. Если это верно, то возмож-ны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда – нибудь это сделать.
Что должно быть легче – вода или лед?
Кто же этого не знает… Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гиганские айсберги. Озера зимой покрываются плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.
Но почему “конечно”?.. Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном раство-ре. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды – аномалия в природе, исключение, и притом совершенно замечательное исключение.
Сколько существует льдов?
В природе, на нашей Земле – один: обычный лед. Это самый прекрасный из всех минералов. Никакие алмазы не могут сравниться блеском и красотой со снежинками, искрящимися на солнце. Из этого голубовато – зеленого камня сложены на Земле не только горы и колоссальные ледники, им покрыты целые материки. Лед – горная порода с необычайными свлйствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с высоких гор. Лед – изменчив – он непрерывно исче-зает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долговечен.
Что нужно, чтобы лед растаял?
Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавления такого же колли-чества любого другого вещества. Исключительно большое значение скрытой теплоты плавления – 80 калорий на грамм льда – так же аномальное свойст-во воды. При замерзании воды такое же колличество тепла снова выделяется.
Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревая землю и воздух. Они противостоят холоду и суровой зиме, и жестоким морозам. Именно благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существует осень и весна.
Сколько тепла нужно, чтобы лед растаял?
Очень много. Больше чем для нагревания равного колличества любого другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна калория. Это больше чем вдвое превышает теплоемкость любого химического соединения.
Как вода попадает в облака?
Очень просто. Солнце нагревает воду. Всюду, где она есть, - в луже, в пруду, в море, в океане. Вода поглощает в своем верхнем слое почти всю энергию попадающих на нее солнечных лучей и испаряется. Молекулы воды исключительно просты в своем строении и вместе с этим необычайны, отличны от всех других молекул. Они сильно притягиваются друг к другу благодаря силам межмолекулярного притяжения за счет дополнительных водородных связей. Солнцу приходится затрачивать очень много энергии, чтобы превратить ее в пар. Нет ни одного вещества, у которого бы скрытая теплота испарения была бы больше, чем у воды. Вода – лучший теплоно-ситель. Ничто не может сравниться с ней. Ничто не может лучше работать в паровых турбинах электростанций, в цилиндрах паровых двигателей.
Вода – гигантский двигатель в природе. Метеорологи подсчитали, что Солнце испаряет на земле за одну минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту миллиард тонн водяного пара вместе с восходящими потоками нагре-того воздуха поднимается в верхние слои атмосферы. Каждый грамм водяно-го пара уносит с собой 537 калорий солнечной энергии.
На большой высоте, где давление мало, воздух расширяется, его темпера-тура сильно понижается и водяной пар конденсируется, снова превращаясь в воду,- ее мельчайшие капельки образуют облака.
Энергия
Солнца, поднятая с водяным паром вверх,
неминуемо должна выделиться обратно,
когда он преврашается в облака. Эта
энергия переходит в тепловую, нагревая
воздух. Каждую минуту водяной пар отдает
атмосфере Земли чудовищно огромное
колличество энергии:
.
Столько энергии за то же время могли бы
выработать сорок миллионов электро-станций,
по миллиону киловатт каждая.
Почему в море вода соленая?
Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удиви-тельных свойств воды. В ее молекуле центры положительных и отрица-тельных зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости. Для воды Е=80, а для воздуха и вакуума Е=1. Это значит, что два любых разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой в 80 раз меньше чем в воздухе.
Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода – один из сильнейших растворителей. Она способна растворить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разру-шает даже гранит, выщелачивая из них наиболее легко растворимые состав-ные части. Нет в природе такой прочной породы, которая могла бы сопро-тивляться всемогущему разрушителю – воде.
Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из океана испаряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова про-должать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.
Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко растворимо, и что в морской воде содержиться только обычная соль, которая стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем колличестве в ней найдены железо, медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все остальные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.
Распадаются ли в воде на ионы ее собственные молекулы?
Да, распадаются. Молекулы воды очень прочны, но все же очень неболь-шая часть их диссоциирует на ионы: H>2>O = H+ + OH-. При этом из каждого миллиарда молекул воды при обычной температуре диссоциированы всего лишь две молекулы.
Свободный протон H+ - ядро атома водорода,- конечно, не может сущест-вовать в одной среде: ион водорода немедленно присоединяется к молекуле воды и образует ион гидроксония H>3>O+.
Почему вода “мокрая”?
Вода не очень “мокрая”, если считать, что этот шутливый вопрос относит-ся к способностям воды смачивать другие тела. Большинство жидкостей гораздо “мокрее” воды. Вода с прудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные роверхности. Водой не намочиш парафин. Капли воды скатываются с поверхности многих полимерных материалов: тефлона, полиэтилена и др. Спирт же, например, или керосин очень хорошо смачи-вают почти любые тела. Это объясняется тем, что вода собирается в капли там, где все другие жидкости растекаются.
Какую форму имеет вода?
Хотя этот вопрос может показаться странным, но он задан совершенно правильно. Вода обладает собственной формой, как и любая другая жид-кость. Ee форма – шар. Утверждение учебников, что вода принимает форму сосуда, а собственной не имеет, неверно. Ее собственная форма на Земле обычно искажена силой тяжести.
Но что воде свойственна форма шара, в этом очень легко убедиться – достаточно слетать на на космическом корабле в космос и вытряхнуть там воду из бутылки. Можно увидеть это и на Земле: посмотрите на падающую каплю или выдуйте хороший мыльный пузырь. Во всех этих случаях действие силы тяжести исключено и вода принимает свою собственную форму.
Итак, это всего лишь несколько перечисленных свойств воды. Но с каждым исследованием этого свойства открываются новые его способности, которые надо доказывать. До сих пор ученые не могут еще понять и объяс-нить очень многие ее свойства. Но будем надеяться, что будет открыто еще немало новых, более удивительных загадочных свойств воды – самого необыкновенного вещества в мире.
Литература.
Детская Энциклопедия. Академия педагогических наук. РСФСР. Том 3 , второе издание. Москва, “Просвещение”, 1965г. стр 511 – 515.
Авторы статьи: И. В. Петрянов.
Е. А. Яковлев.