Строение и диаграмма состояния воды. Физические свойства воды, льда и снега

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Гидросфера Земли.

2. Молекулярное строение воды.

3. Фазовая диаграмма воды.

4. Физические аномалии воды.

1. Гидросфера Земли.Гидросфера — это водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и твердой земной корой. Из общей площади поверхности Земли водами океанов, представляющими собой непрерывную водную среду, называемую Мировым океаном, покрыто или 70,8%. Кроме морей и океанов в гидросферу включают поверхностные воды суши (реки, озера, болота, ледники и вечные снега). В гидросферу входят также влага атмосферы и подземные воды, которые представлены свободными гравитационными водами и водами, физически и химически связанными в минералах и горных породах. Воды гидросферы, атмосферы и земной коры связаны между собой. При соответствующих условиях они могут переходить из одной сферы в другую, изменяя при этом физическое состояние на твердое, жидкое, газообразное. Возраст нынешней гидросферы составляет около 2,5-3.0 млрд. лет.

2. Молекулярное строение воды. Вода (Н₂О) — простейшее устойчивое соединение водорода (11,19%) с кислородом (88,81%). Молекулярная масса чистой воды 18,01629. При нормальной температуре и в отсутствие катализаторов вода из элементов не образуется; при +300°С реакция протекает медленно, а при 550°С — со взрывом.

Молекулы воды термически устойчивы, распад на элементов достигает заметной величины лишь при температуре 2000°С. При температурах порядка 4000—6000°С термическая диссоциация становится практически полной и водород утрачивает способность соединяться с кислородом. Вода - очень слабый электролит, диссоциацией ее на катионы водорода и анионы гидроксила обычно пренебрегают.

Вода обладает рядом физических аномалий, которых насчитывается до пятнадцати. Важнейшие среди них следующие: удельный объем при увеличении температуры до 4°С уменьшается, а выше 4° — увеличивается; при замерзании объем воды увеличивается, плавление льда сопровождается сжатием; при повышении давления температура замерзания воды не повышается, а понижается; плавление льда сопровождается аномально большим увеличением теплоемкости (почти вдвое); исключительно большая теплоемкость воды.

Лед — это общее наименование твердой фазы воды. Он обладает замечательной способностью существенно изменять свои упруго-пластические свойства и структуру даже при не­значительных колебаниях температуры и давления. Лед об­ладает также свойствами режеляции и рекристаллизации, сублимации и возгонки.

Молекула воды имеет два положительных (на атомах водорода) и два отрицательных (на неподеленных элек­тронных парах атомов кислорода) полюса зарядов, распо­ложенных под углом, близким к тетраэдрическому. Четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле воды образо­вывать четыре водородные связи с соседними молекулами.

Природа водородной связи вытекает из полярности связи О—Н. В молекуле Н₂О электронная пара, образующая связь в группе О—Н, смещена к ядру кислорода и удалена от ядра водорода. Такой частично ионный характер связи О—Н ведет к тому, что атом водорода приобретает некото­рый положительный заряд, а атом кислорода—отрицатель­ный. Это позволяет электронам другого атома кислорода приблизиться к протону, если даже протон уже связан. Водородные связи примерно в 10 раз сильнее межмо­лекулярных взаимодействий, которые характерны для боль­шинства других жидкостей. Поэтому для плавленая, испаре­ния и нагревания -воды необходима гораздо большая энер­гия, чем и объясняются аномально высокие удельная тепло­та плавления, испарения и теплоемкость.

3. Фазовая диаграмма воды.Условия существования воды в различных фазах и равновесия фаз при переходе из одного агрегатного со­стояния в другое могут быть наглядно представлены помощи диаграммы состояния (фазовая диаграмма). Для однокомпопентной системы, к которой относится вода, диа­грамма состояния отражает связь между температурой Т и давлением р. Главное назначение диаграммы состояния за­ключается в том, что она позволяет делать точные выводы о физико-химической природе и границах существования фаз системы без их выделения и химического анализа.

Откладывая для воды по оси абсцисс температуру Т, а по оси ординат — давление p, получим геометри­ческое место точек, соответствующих равновесию жидкой воды и водяного пара, в виде кривой ОА, которая назы­вается кривой парообразования. Геометрическим местом то­чек (равновесия твердой и жидкой фаз будет кривая ОС, называемая кривой плавления. Кривая плавления льда в от­личие от кривых плавления других веществ .несколько наклонена в сторону оси давления: плавле­ние льда под повышенным давлением происходит при бо­лее низкой температуре. Кривая ВО есть кривая сублимации. Каждой ее точке соответствуют определенные темпера­тура и давление, при которых лед и водяной пар находятся в равновесии.

Все три кривые пересекаются в точке О, указывающей температуру и давление, при которых одновременно могут находиться в равновесии все три фазы: тройная точка, давление 612 Па и температура 273,16 К (0,0075°С). Кривые АО, ВО и ОС делят всю площадь диаграммы на поля, из которых каждое соответствует устойчивости только одного агрегатного состояния воды. В момент, когда плотность жидкой воды становится равной плотности ее пара, граница между жидкостью и паром (мениск) исчезает, исчезают и все другие различия в свойствах между жидкостью и ее паром.Критическая температура воды составляет 374,2°С; в этом состоянии вода имеет плотность, равную 1/3 плотности жидкой воды при 0°С.

4. Физические аномалии воды.Вода в интервале температур от 0°С до 4°С ведет себя аномально. В этом ин­тервале с повышением температуры плотность ,воды увели­чивается, при температуре выше 4°С — уменьшается.

Температурная аномалия плотности воды объясняется особенностью строения ее молекул. При нагревании воды одновременно идут два противоположно направленных про­цесса: нормальное увеличение объема вследствие усиления теплового движения молекул и .уменьшение объема при из­менении кристаллической решетки за счет перемещения молекул в пустоты упаковки, При температуре выше 4°С интенсивнее происходит процесс увеличения объема и, следовательно, уменьшения плотности воды за счет увеличения расстояния между ее молекулами; в интервале температур от 0° до 4°С — процесс уменьшения объема и увеличения плотности воды за счет уменьшения пустот в «ажурной» структуре. В момент выравнивания интенсивности обоих процессов, наступающий при 4°С (точнее при 3,98°С), наблюдается наибольшая плотность. Изменение плотности воды на 1°С (температурный градиент плотности) в различных температурных интервалах неодинаково: оно очень мало вблизи температуры наибольшей плотности и быстро воз­растает по мере удаления от нее.

В момент образования льда плотность воды скачко­образно уменьшается примерно на 10%. Плотность дистил­лированной воды при 0°С равна 999,87 кг/м³, плотность льда, образовавшегося из той же воды три 0°С, составляет 916.7 кг/м³. Благодаря этому свойству появление льда сопровождается не уменьшением объема, как у большинства других веществ, а, напротив, его увеличением, плавление льда — не расширением, а сжатием. При охлажде­нии воды кристаллическая решетка непрерывно деформи­руется, переходя от кварцевой (.более плотной) к (более рыхлой). К моменту замерзания завершается полная перестройка молекул, что и приводит к увеличению объема.

Лекция № 8