Реферат: Происхождение и основные свойства воды и атмосферы

Табл. 2

Температура, °С	Состояние	Плотность, кг/м3
-2	твердое	917,2
0	твердое	917,0
0	жидкое	999,8
4	жидкое	1000,0
10	жидкое	999,7
25	жидкое	997,1

Чтобы найти объяснение этим аномальным свойствам воды, мы должны рассмотреть структуру ее молекулы. Атом водорода в молекуле воды имеет две общие электронные пары с атомом кислорода. Результатом этого является возникновение положительного электронного облака вблизи каждого атома водорода и отрицательного - вблизи атома кислорода. Четыре ковалентные связи атома кислорода имеют трехмерную тетраэдную форму с углами между ними 120°. В молекуле воды отрицательные заряды двух неподеленных электронных пар кислорода взаимно отталкиваются, что приводит к сближению тех ковалентних связей, в которых электронные пары поделены с атомом водорода. Поэтому валентный угол НОН уменьшается до 105°. Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода, в результате чего атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды. Таким образом, там, где сосредоточены атомы водорода, молекула воды имеет небольшой избыток положительного заряда, а другая сторона несет слабый отрицательный заряд. При этом между молекулами возникают силы притяжения, и они объединяются в частично упорядоченные группы или структуры. Этот процесс называется полимеризацией. Связи между молекулами воды называются водородными связями.

Когда температура воды увеличивается, энергия молекул также возрастает, и они оказываются в состоянии разорвать водородные связи и отделиться от образованных групп. После этого молекулы располагаются между группами и, следовательно, занимают меньше места, что приводит к увеличению плотности воды. Создается впечатление, что баланс между этим эффектом и нормальным расширением вещества, которое происходит с увеличением температуры, достигается в пресной воде при 4°С. Ниже 4°С превалирует этот эффект, а при температуре выше 4°С основную роль играет обычное термическое расширение. Точно так же уменьшение вязкости с увеличением давления при низких температурах означает, что вода при этих температурах обладает структурой, которая препятствует течению, но которую можно разрушить, повышая давление.

Вода - весьма эффективный растворитель, и это ее свойство, по крайней мере, частично, можно объяснить присутствием электрических зарядов на молекулах воды. Имеющиеся в растворе отдельные ионы, например в растворе хлористого натрия катион натрия Na ⁺ или анион C1^- , притягивают противоположные заряды молекул воды. Однако это разрушает структуру воды и изменяет некоторые ее физические свойства: точка замерзания понижается (данное свойство используется тогда, когда обледенелые дороги, чтобы растаял лед, посыпают солью), меньше становится и температура, при которой достигается максимальная плотность.

Когда содержание солей в воде достигает примерно 25 г/кг, температура воды максимальной плотности и точка замерзания совпадают в области около — 1,3°С. Если же содержание солей в воде еще выше (например, в океане), плотность воды будет возрастать с уменьшением температуры, пока не достигнет точки замерзания.

Другими особыми и весьма важными свойствами воды являются высокие величины ее поверхностного натяжения, удельной теплоемкости и скрытой теплоты плавления и кипения.

Поверхностное натяжение измеряется силой, необходимой, чтобы разорвать поверхность жидкости. Она обусловливается силами сцепления между молекулами жидкости, и нет ничего удивительного в том, что для воды эта сила сравнительно велика. Есть только одно вещество, которое, находясь в жидком состоянии при температуре поверхности Земли, обладает более высоким поверхностным натяжением, чем вода: это ртуть. Поверхностное натяжение воды - важное свойство, приводящее к образованию капель в атмосфере и очень маленьких капиллярных волн на поверхности океана, а также к капиллярному переносу воды в почвах и тканях живых организмов.

Высокие удельная теплоемкость и скрытая теплота плавления воды жизненно важны для сохранения тепловой энергии и предотвращения сильных колебаний температуры. Удельная теплоемкость воды, которая определяется количеством тепла, необходимого для увеличения температуры единицы ее массы на один градус Цельсия, наиболее высока среди всех твердых и жидких веществ, за исключением аммиака. Большая часть этой тепловой энергии заключена в связях между соседними молекулами воды, которые можно образно представить себе в виде упругих нитей, связывающих молекулы. Чем больше энергии будет сообщено воде, тем сильнее будет колебание молекул и температура будет подниматься. Однако эти колебания сильно ограничены действием нитей. В конце концов молекулы могут совершенно разорвать существующие между ними связи и перейти из жидкого состояния в газообразное, то есть в водяной пар.