Питна вода Херсонщини. Шляхи її очищення (стр. 2 из 5)

Безпосередньою причиною утворення асоціатів є водневі зв’язки. Вони виникають між ядрами водню одних молекул та електронними «скупченнями» (неподіленими електронними парами) у ядер кисню інших молекул води. Правда, ці зв’язки в десять разів слабкіше, чим «стандартні» внутрішньо-молекулярні хімічні зв’язки, і достатньо звичайних рухів молекул, щоб зруйнувати їх. Та під впливом теплових коливань так же легко виникають і нові зв’язки цього типу. Виникнення та розпад асоціатів можна виразити схемою:

х ∙ Н₂О (Н₂О)_х,

оскільки електронні орбіталі в кожній молекулі води утворюють тетраедричну структуру, водневі зв’язки можуть впорядковуватись розміщенню молекул води у вигляді тетраедричних координованих асоціатів.

Можливі й інші моделі водяної структури. Тетраедрично зв’язані молекули води утворюють своєрідні рої, досить стабільного складу. Простір між роями заповнюють мономерні молекули води.

Дослідники розкривають все більш тонкі та складні механізми «внутрішньої організації» водяної маси. Крім льодоподібної структури , рідкої води та мономерних молекул, описаний і третій елемент структури – нететраедричний.

Визначна частина молекул асоційована не в трьохмірні каркаси, а в лінійні кільцьові об’єднання. Кільця, групуючись, утворюють ще більш складні комплекси асоціатів.

1.2 Фізичні та хімічні властивості води, її аномалії.

В періодичній системі елементів Д. І. Мєндєлєєва кисень утворює окрему підгрупу. Вона так і називається: підгрупа кисню.

Її складові кисень, сірка, селен і телур мають багато спільного у фізичних та хімічних властивостях. Спільність властивостей простежується, як правило, і для однотипних сполук, утворюваних членами підгрупи.

Але для води характерно відхилення від правил.

Із самих легких сполук підгрупи кисню ( а ними являються гідриди) вода – найлегша.[15]

Густина води при її переході з твердого стану в рідкий не зменшується, а збільшується. При нагріванні води від 0 до 4⁰С густина її також збільшується. При 4⁰С вода має максимальну густину і лише при подальшому її нагріванні зменшується з підвищенням температури.

Велике значення в житті природи має і той факт, що вода володіє високою теплоємкістю [4,18 Дж/ (г • К)]. Тому в нічний час, а також при переході від літа до зими вода охолоджується повільно, а вдень, чи при переході від зими до літа, так само повільно нагрівається, що є, таким чином, регулятором температури на Земній кулі. [3]

Розглянемо найбільш велику аномалію води – температурна поведінка її теплоємність. Велика теплоємкості, як відомо, показує, скільки треба затратити тепла, щоб підняти температуру речовини на один градус. Теплоємність рідини після плавлення кристалу збільшується незначно – не більше 10%. Інша справа вода. При плавленні льоду теплоємність стрибає від 0 до 18 кал/моль, тобто в два рази! Такого великого стрибку теплоємності при плавленні не спостерігається ні в одної іншої речовини: тут вода абсолютний рекордсмен. Стрибок теплоємності після плавлення означає, що у воді відкриваються якісь нові процеси, на які затрачується, підбите тепло і яке обумовлюється появою надмірної теплоємкості. Така надмірна теплоємкість існує в усьому діапазоні температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані.[11]

Ось ще приклад теплоємності води: незвичайна температурна поведінка її стискування, тобто ступінь її зменшення об’єму при збільшенні тиску. Звичайно стискування рідини росте з температурою: при високих температурах рідина більш пухка і її легше стиснути. Вода виявляє таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же її стискування веде себе протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінці з’являється мінімум при 45⁰С.

Вода має таку властивість як „змочування”. При вивченні цього явища встановили, що всі речовини, які легко змочуються водою (глина, пісок, скло, папір та ін.)обов’язково мають у своєму складі атоми кисню. Для пояснення природи змочування, цей факт виявився ключовим: енергетично неврів новажені молекули поверхневого шару отримують можливість утворювати додаткові водневі зв’язки з «чужими» атомами кисню.[10]

Дякуючи поверхневому натягу та властивості до змочування, вода може підніматись у вузьких вертикальних каналах на висоту більшу ніж та, яка допускається силою тяжіння, тобто вода має властивість капілярності.

Капілярність відіграє важливу роль у багатьох природних процесах, які виникають на Землі. Дякуючи цьому вода змочує товщу ґрунту, що лежить значно вище дзеркала ґрунтових вод і надає кореням рослин розчини поживних речовин. Капілярністю обумовлюється рух крові та тканинних рідин в живих організмах.

Найвищими виявляються у води саме ті характеристики, котрі повинні були б бути найвищими: температура кипіння та замерзання, теплота пароутворення та плавлення.

Вважали, що вода повинна кипіти при 70⁰С та замерзати при – 90⁰С. В такому випадку в земних умовах. В таких умовах вона ніколи не існувала б ні в твердому, ні в рідкому станах.

Можливим був би тільки газоподібний стан. Але на графіку залежності температур несподівано різкий підйом – температура кипіння води + 100⁰С, замерзання – 0⁰С. Це наглядна перевага асоціативності – широкий температурний інтервал існування, можливість здійснити всі фазові стани в умовах нашої планети. Асоціативність води відбивається і на дуже високій питомій теплоємності її пароутворення. Щоб випарувати воду, вже нагріту до 100⁰С, потребує вшестеро більше кількості теплоти, чим для нагріву цієї ж маси води на 80⁰С (від 20⁰С до 100⁰С).

Кожну хвилину мільйон тонн води гідросфери випаровується від сонячного нагріву. В результаті в атмосферу постійно потрапляє колосальна кількість теплоти, еквівалентне тому, яке б вироблялося 40 тисячами електростанцій потужністю 1 млрд кіловатт кожна.[16]

При плавленні льоду немало енергії йде на подолання асоціативних зв’язків льодяних кристалів, хоч і вшестеро менші, чим при випаровуванні води. Молекули Н₂О фактично залишаються в тому ж середовищі, змінюється лише фазовий стан води.

На багатьох металургійних заводах Донбаса в якості охолоджувача використовують не холодну воду, а кип’яток. Охолодження йде за рахунок теплоти пароутворення – ефективність процесу підвищується в декілька разів, до того ж відпадає потреба в спорудженні громіздких градирен. Звичайно, кип’яток як охолоджувач використовується там, де потрібно охолоджувати об’єкти, нагріті вище 100⁰С.

Широке застосування води в якості охолоджувача пояснюється не тільки і не стільки в її доступності та дешевизною. Справжню причину треба шукати також і в фізичних особливостях. Виявляється, вода володіє ще однією чудовою здібністю – високою теплоємністю. Поглинаючи велику кількість теплоти, сама вода суттєво не нагрівається. Питома теплоємність води в п’ять разів вище, чим у піску, і майже в десять разів вище, ніж у заліза.

Здібність води накопичувати більші запаси теплової енергії дозволяє згладжувати різні температурні коливання на земній поверхні в різні пори року та в різний час доби. Дякуючи цьому вода є основним регулятором теплового режиму нашої планети.

Теплоємність води аномальна не тільки по своєму значенню. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується по мірі збільшення температури в інтервалі від 0 до 37⁰С, а при подальшому збільшенні температури – збільшується. Мінімальним значенням питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79⁰С. Виявилось, що при цій температурі здійснюється і мікрофазові перетворення в системі «рідина – кристал», тобто «вода – лід». Встановлено, що при змінені температури від 0 до 100⁰С вода послідовно проходить п’ять таких перетворень. Їх назвали мікрофазовими, так як протяжність кристалів мікроскопічна, не більш 0,2-0,3 нм. Температурні межі переходів – 0, 15, 30, 45, 60 та 100⁰С.[13]

Поглиблене вивчення фізичного значення та напрямку практичного застосування даного явища ще чекають своїх досліджень. Але вже й тепер зрозуміло, що ці відкриття представляють дуже цікавий та цінний пізнавальний матеріал.[14]

Молекули води відрізняються великою стійкістю до нагрівання. Проте при температурах вище 1000⁰С водяна пара починає розкладатисяна водень та кисень:

2Н₂О 2Н₂ + О₂

Процес розкладу речовини в результаті його нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води протікає з поглинанням теплоти. Тому, чим вище температура, тим в більшому ступені розкладається вода.

Вода – дуже реакційна сполука. Оксиди багатьох металів та неметалів з’єднуються з водою, утворюючи основи та кислоти:

Н₂О + Na₂O = 2NaOH

H₂O + SO₂ = H₂SO₃

деякі солі утворюють з водою кристалогідрати:

H₂O + H₂SO₄ = H₂SO₄ ·H₂O

10H₂O + Na₂CO₃ = Na₂CO₃ · 10H₂O

H₂O + NaOH = NaOH · H₂O

5H₂O + CuSO₄ = CuSO₄ · 5H₂O;

найбільш активні метали взаємодіють з водою з виділенням водню:

2H₂O + Li = 2LiOH + H₂

2H₂O + Ca = Ca(OH)₂ + H₂ .

Вода здатна утворювати сполуки з рядом речовин, що знаходяться при звичайних умовах в газоподібному стані та не володіючих великою хімічною активністю. Прикладом можуть слугувати гідрати Хе · 6Н₂О,

СН₄ · 6Н₂О, С₂Н₅Сl · 15Н₂О. Такі сполуки утворюються в результаті заповнення молекулами газу міжмолекулярних порожнин, що є в структурі води, і називаються сполуками включення, чи клатратами. Клатрати – нестійкі сполуки і можуть існувати при порівняно низьких температурах.