Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

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 Δ. «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: aquaomniasunt [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].

Глава 1 Физические свойства воды.

Среди всех веществ, изучаемых физиками и

физико-химиками, вода во многих

отноше­ниях является самым трудным.

В. В. Шуленкин, 1968

1.1 Чистая вода.

Разумеется, под чистой водой мы подразумеваем не санитарно безупречную жидкость, а воду, отвечаю­щую по составу привычной нам со школьной скамьи химической формуле Н₂ О. 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.

??? ?? ???????????? ?????? ?? ????????? ???????? ???? ?₂ ? ? ?????????? ????? ??????? ??? ? ???????????? ???????, ???? ??????? ?? ???????, ? ?????????? ?? ??????. ????????? ????? ?????????: ?????? ???????????? ??????????? ?????????? ???? ?? ????????????? ??????? ?? ????????? ??????? ???????? ???????????? ?????????? ?????????, ?????????? ??????????? ??????. ????? ?????????? ? ?????? ???????? ??? ????? ??????? ???????? ?????? ?????????????. ???, ? ????? ???????? ???? ???? ???????? ? ???????????? ??????????, ? ? ????? ????????? ? ??? ????????: ?????????? ? ????? ??????????? ? ??????? ? ??????. ??????????? ???????? ???? ?? ???? ?????? ???????? ? ?????? ????? ????????? (???. 1). ??? ????? ???????? ???????? ???????? ???? ??????????? (?? ??????) ?????????? ???????? ???????? ??? ?? ????????????.

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).

1.2

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.

1.3 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.