Розповсюдження води на планеті Земля

Зміст

1. Розповсюдження води на планеті  Земля. 

2.Ізотопний склад води.

3. Конструкція молекули води.

4.Фізичні властивості води, їх  аномальність.

4.1.Аномалія густини. 

4.2.Переохолоджена вода.

4.3.Аномалія стисливості. 

4.4.Поверхневе натягнення.

4.5.Аномалія теплоємності.

5.Структура і форми льоду. 

6.Структура і перебудова структури  води.

 Література.

 Вступ 

 Вода в нашому житті - найзвичайніша  і найпоширеніша речовина. Проте  з наукової точки зору це  сама незвичайна, найзагадковіша рідина. Мабуть, тільки рідкий гелій може змагатися з нею. Але незвичайні властивості рідкого гелію (такі, як надтекучість) виявляються при дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) і обумовлені специфічними квантовими законами. Тому рідкий гелій - це екзотичне речовина. Вода ж в нашій свідомості є прообразом всіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її самої незвичайної. Але в чому ж полягає незвичність води? Річ у тому, що важко назвати яке-небудь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (в залежності від зміни температури, тиску і інших чинників) істотно відрізняється від такого у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схоже і може бути пояснено з самих загальних фізичних принципів. До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за виключенням гелію), органічні рідини (бензин, що є їх сумішшю або спирти).Вода має першорядне значення при більшості хімічних реакцій, зокрема і біохімічних. Стародавніше положення алхіміків - «тіла не діють, поки не розчинені» - в значній мірі справедливо.

 Людина і тварини можуть  в своєму організмі синтезувати  первинну ("ювенильную") воду, утворювати  її при тому, що згоряє харчових  продуктів і самих тканин. У  верблюда, наприклад, жир міститься в горбу, може шляхом окислення дати 40 л води. Зв'язок між водою і життям такий великий, що навіть дозволила В. И. Вернадскому «розглядати життя, як особливу колоїдну водну систему... як особливе царство природних вод». Вода - речовина звичне і незвичайне. Відомий радянський вчений академік І.В.Петрянов свою науково - популярну книгу про воду назвав сама "незвичайна речовина в світі". А доктор біологічних наук Б.Ф.Сергєєв почав свою книгу "цікава фізіологія" з глави про воду -"Речовина, яка створила нашу планету". Учені мають рацію: немає на Землі речовини більш важливого для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншого такого ж речовини, у властивостях якої було б стільки суперечностей і аномалій скільки в її властивостях.

І.Розповсюдження води на планеті  Земля.

 Майже з поверхні нашої  планети зайнято океанами і  морями. Твердою водою - снігом  і льодом - покрито 20% суші. Із загальної  кількості води на Землі рівного  1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів, 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку прісних вод. Всієї кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром більш 2,5 кілометрів. На кожного жителя Землі приблизно доводиться 0,33 кубічних кілометрів морської води і 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але трудність в тому, що переважна частина прісної води на Землі знаходиться в такому стані, який робить її труднодоступною для людини. Майже 70% прісних вод укладене в льодовикових покривах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% - у водоносних шарах під землею, а в руслах всіх річок містяться одночасно всього лише 0,006% прісних вод.

 Молекули води знайдені в  міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи і їх супутників.

2.Ізотопний склад води.

 Атоми водню і кисню, створюючі  воду, або окисел водню, можуть  мати різні масові числа і  відрізнятися один від одного  своїми фізико-хімічними властивостями, але при цьому вони мають однаковий електричний заряд атомних ядер і тому займають в періодичній системі елементів одне і те ж місце. Такі різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента називаються ізотопами. Відомо п'ять водопологів і п'ять киснів.

 Правда, по два з них (4Н, 5Н, 140 і 150) радіоактивні і дуже  короткоживучі. Наприклад, тривалість  існування водню -4—4*10-11 сек. Найбільш  широко відомі наступні ізотопи  водню: протий 1Н( з відносною  атомною масою 1), дейтерій 2Н, або  Б ( з відносною атомною масою 2) і тритій ЗН, або Т ( з відносною атомною масою 3) найважчий, але слаборадиоактивний водень ( його період напіврозпаду 12,3 роки), і ізотопи кисню: 160, 170 і 180. Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води: 1Н2160; 1 НЕ) 160; Б2160 ; 1НТ160; БТІбО; Т2016; 1Н2170; 1НБ170; Б2170; 1НТ170; БТ170; Т2170; 1Н2180; 1НБ180; Б2180; 1НТ180; БТ180; Т2180.

 На Землі на 6800 атомів протию  доводиться один атом дейтерію, а в між зірковому просторі  один атом дейтерію доводиться  вже на 200 атомів протию.

З.Конструкція молекули води.

 Молекула води складається  з двох атомів водню (Н) і  одного атома кисню (О). Все  різноманіття властивостей води  і незвичність їх прояву в  кінцевому рахунку визначаються  фізичною природою цих атомів  і способом їх об'єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню і кисню розташовані так щодо один одного, що утворюють як би рівнобедрений трикутник з порівняно крупним ядром кисню на вершині і двома дрібними ядрами водню у підстави. В молекулі води є чотири полюси зарядів: два негативних за рахунок надлишку електронної густини у кисневих пар електронів і два позитивних - унаслідок недоліку електронної густини у ядер водню - протонів. Така ассиметричность розподіли електричних зарядів води володіє яскраво вираженими полярними властивостями; вона є диполем з високим дипольним моментом -1,87 дебай

 Завдяки цьому молекули води  прагнуть нейтралізувати електричне  поле. Під впливом диполів води  на поверхні занурених в неї  речовин міжатомні і міжмолекулярні сили слабшають в 80 разів. Така висока дизлектическая проникність зі всіх відомих речовин властива тільки воді. Цим пояснюється її здатність бути універсальним розчинником. Допомагає контактуючим з нею молекулам розкладатися на іони (наприклад солям кислот), сама вода проявляє велику стійкість. З 1 млрд. молекул води диссоційованними при звичайній температурі виявляються лише дві, при цьому протон не зберігається у вільному стані, а найімовірніше входить до складу іона гидроксония. ( Гидроксоній (НЗО+) – це гідратований іон водню; існує у водних розчинах кислот) Вода хімічно незмінюється під діям більшості тих з'єднань які вона розчиняє, і не змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливе для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні їх тканинам живильні речовини поступають в водних розчинах в порівняльно стійкому вигляді.               

 Як розчинник             вода багатократно використовується, несучи в своїй структурі пам'ять  про раніше розчинені в ній  речовинах. Молекули в об'ємі води зближуються протилежними зарядами виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами водню і неподіленими електронами кисню, насищаючи електронну недостатність водню однієї молекули води і фіксуючи його по відношенню до кисню іншої молекули. Тетраедрічеськая спрямованість водневої хмари дозволяє утворити чотири водневі зв'язки для кожної водної молекули, яка завдяки цьому може асоціювати з чотирма сусідніми. В такій моделі кути між кожною парою ліній, що сполучають центр (атом Про) з вершинами рівні 109,5 3 .

 Водневі  зв'язки у декілька разів слабкі  за ковалентні зв'язки, об'єднуючі  атоми кисню і водню, мікромолекулярна  структура води з великим кількістю  порожнин дозволяє їй, розриваючи  водневі зв'язки, приєднувати молекули  або частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненню.

 Порівнюючи  воду - гідрид кисню з гідридами  елементів, що входять в одну  з киснем підгрупу періодичної  системи Д.І. Менделєєва, слідувало  б чекати, що вода повинна кипіти  при - 70 оС, а замерзати при - 90 оС. Але в звичайних умовах вода замерзає при 00 С. Таке різке відхилення від встановленій закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Ассоциірованность її позначається і на дуже високій теплоті паротворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води нагрітої до 100 оС, потрібне в шестеро більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80 оС. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті. В порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати набагато більше тепла, істотно не нагріваючись. Вода виступає як би регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. В інтервалі від 0 до 37 оС теплоємність її падає і лише після 37 оС починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36-39 оС - нормальній температурі людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, у тому числі і людини. 0 оС і закипає при 100 оС.

4.Фізичні  властивості води, їх аномальність.

 Чиста  вода є безбарвною без смаку запаху прозору рідину. Густина води під час переходу неї з твердого стани в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.

 Як добре  відомо, вода прийнята за зразок  міри - еталон для всіх інших  речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слідувало б вибрати таку речовину, яка поводиться самим нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

 І перше,  саме вражаюче, властивість води  полягає в тому, що вода належить  до єдиної речовини на нашій  планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому і газоподібному (невидимий оку пар).

4.1.Аномалія  густини. 

 Всім  відома аномалія густини. Вона  двояка. По-перше, після танення  льоду густина збільшується, проходить через максимум при 4 оС і тільки потім зменшується з зростанням температури. В звичайних рідинах густина завжди зменшується з температурою. І це зрозуміло. Чим більше температура, тим більше теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, приводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, і у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але чомусь це приводить в ній до пониження густини тільки при високих температурах. Друга аномалія густини полягає в тому, що густина води більше густина льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і т.д.). Звичайно ж при плавленні густина рідині опиняється менше ніж біля кристала. Це теж має простої фізичне пояснення. В кристалах молекули розташовані регулярно володіють просторовою періодичністю - ця властивість кристалів всіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно упаковані. Після плавлення кристала регулярність в тому, що розташовує молекул зникає, і це можливо тільки при більш рихлій упаковці молекул, тобто плавлення звичайно супроводжується зменшенням густини речовини. Такого роду зменшення густини дуже мале: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 - 4%. А густина води перевищує густину льоду відразу на 10%! Тобто стрибок густини при плавленні льоду аномальний не тільки по знаку, але і по величині.

4.2.Переохолоджена  вода.

 Останнім  часом багато уваги уділяється  вивченню властивостей переохолоджувала  води, тобто що залишається в рідкому стані нижче за точку замерзання 0 оС. (Переохолоджувати воду можна або в тонких капілярах, або - ще краще - в виді емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі - масло"). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона поводиться дивно. З одного боку, густина води сильно зменшується по мірі переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з другого боку вона наближається до густини льоду при пониженні температури (тобто друга аномалія слабшає).

4.3.Аномалія  стисливості. 

Ще приклад  аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стисливості, тобто  ступені зменшення об'єму при  збільшенні тиску . Звичайно стисливість  рідини росте з температурою: при  високих температурах

 рідини  більш рихлі (мають меншу густину) і їх легше стиснути. Вода знаходить таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же стисливість поводиться протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінці з'являється мінімум при 45 оС. На цих двох прикладах ми бачимо, що незвичайні властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як в густині) або мінімумів (як в стисливості) на кривих їх залежності від температури. Така екстремальна залежність означає, що в воді має місце протиборство двох процесів, кожний з яких обумовлює протилежну поведінку даної властивості. Один процес - цей звичайний тепловий рух, що посилюється із зростанням температури і що робить воду (як і будь-яку іншу рідину) більш раз впорядкованою; інший процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок нього вода стає більш впорядкованою при низьких температурах. Різні властивості води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому положення екстремуму спостерігається для кожної властивості при своїй температурі.

4.4.Поверхневе  натягнення 

 Серед  незвичайних властивостей води  важко обійти увагою ще одне - її виключно високе поверхневе  натягнення 0,073 Н/м (при 20о 3). З  всіх рідин більш високе поверхневе  натягнення має тільки ртуть.  Воно виявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхня, хоча вона завжди приймає форму місткості, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-кому поверхні. Сила поверхневого натягнення примушує молекули її зовнішнього шаруючи зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкненими водневими зв'язками, асоцоатами різної структури і різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчим за воду, не занурюються в воду (наприклад обережно встановлена навзнаки сталева голка). Багато комах (водоміри ногохвостки і ін.) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою не змочуваних щетин, а маленькі равлики - прудовики і катушки - повзають по ній у пошуках здобичі.

 Високе поверхневе натягнення дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню. Струмінь хімічно чистої води перетином 1 см2 по міцності на розрив не поступається сталі того ж перетину. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягнення. Поведінка води в капілярах підкоряється і