Вода и ее применение в современных технологиях

для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать,

не погружаясь в воду, предметы, которые в 8 раз и более тяжелее воды,

например лезвие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение

воды при 18°С составляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните:

для спирта оно составляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см).

Только ртуть имеет еще более высокое поверхностное натяжение — 500 дин/см.

Теоретически установлено, что для разрыва столбика чистой воды

диаметром 2,5 см потребуется приложить усилие 95 те. Поскольку, как уже

упоминалось выше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных

условиях получить ее почти невозможно, то в условиях эксперимента с не

совсем чистой водой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см2 потребуется

усилие в пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.

У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание»

(адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах),

где вода

Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких

трубках сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом

слое со способностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В

результате в капилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного

уровня воды. У ртути, обладающей более высоким поверхностным натяжением,

адгезия отсутствует, поэтому ртуть в капиллярной трубке имеет не вогнутую,

а выпуклую поверхность. Необходимо заметить, что к поверхностям, покрытым

жировым слоем, например парафином, вода не прилипает и мениск ее в

капилляре, подобно мениску ртути, будет не вогнутый, а выпуклый.

Существует понятие капиллярной постоянной, которая равна произведению

высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для

чистой воды линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижении

критической (см. ниже) становится равной нулю. Предельная высота

капиллярного подъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в

мелком 1,2 м, а в чистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для

крупных капилляров—5—10 суток, а для мелких до 16 месяцев.

6 Теплоемкость воды.

Остановимся на следующей аномалии воды, которая связана с ее

теплоемкостью. Теплоемкость воды сама по себе не аномальна, но она в 5—30

раз выше, чем у других веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды,

удельная теплоемкость с повышением температуры возрастает. У воды же

удельная теплоемкость в интервале температур от 0 до 35 °С. падает, а затем

начинает возрастать (рис. 6).

Удельная теплоемкость воды при 16 °С условно принята за 1 и служит,

таким образом, эталоном меры для других веществ. Как и плотность, удельная

теплоемкость воды в зависимости от температуры не однозначна, а двузначна.

Например, при 25 и при 50 °С она одинакова — 0,99800 кал/(г-°С).

Теплоемкость льда на интервале от 0 до минус 20 °С в среднем 0,5 кал/(г-

°С), т. е. в два раза меньше, чем у

Только водород и аммиак обладают большей, чем вода, теплоемкостью.

жидкой воды. Удельная теплоемкость спирта и глицерина—0,3 (в три раза

меньше, чем у воды), железа—0,1, платины—0,03, дерева—0,6, а каменной соли

и песка—0,2 кал/(г-°С). В связи со сказанным выше становится попятным,

почему при одинаковом получении солнечного тепла вода в водоеме нагреется в

b раз меньше, чем сухая песчаная почва на берегу, но при этом вода во

столько же раз дольше будет сохранять тепло, нежели песок. Любопытно, что

теплоемкость воды в переохлажденном состоянии (например, при - 7,5 °С) на

2% выше, чем при той же температуре, но уже в кристаллическом состоянии.

Мы ежедневно слышим по радио сообщения об атмосферном давлении

воздуха (наряду с сообщением о температуре, влажности, силе ветра и т. д.),

нормальное значение которого для высоты Ленинграда над уровнем моря 760 мм

рт. ст., а для Москвы, лежащей выше уровня моря на 124 м, 758 мм рт. ст. Мы

все привыкли к тому, что при падении давления ниже нормы можно ожидать

дождя, а при подъеме выше нормы – сухой погоды. Хотя с метеорологической

точки зрения сухая и влажная погода определяются комплексом условий, а не

одним только давлением. Многие люди, вероятно, помнят, что на старых

анероидах помимо шкалы с делениями на миллиметры ртутного столба, были

надписи: «великая сушь», «сушь», что отвечало давлению, превышающему норму,

для данной местности, «переменно» — для нормального давления, «дождь»,

«буря» — для давления ниже нормы.

Вдумайтесь в сказанное. Ведь конденсация водяных паров в жидкость по

законам физики должна происходить при увеличении давления, а при его

падении процесс должен протекать в обратном направлении, т. е. жидкость

должна превращаться в пар. В чем же здесь дело? Для ответа нам придется

рассмотреть особенности удельной теплоемкости паров воды. При давлении 1

атм и температуре 100 °С из 1 л воды образуется 1600 л пара. Для

определения удельной теплоемкости пара ограничим его состояние двумя

случаями: пар находится либо в замкнутом объеме, либо в сосуде, позволяющем

пару расширяться при передаче ему тепла при сохранении постоянного

давления. В последнем случае температура и объем меняются.

Теплоемкость пара для принятых условий разная, и эта разница весьма

существенна, причем не только для воды, но и для многих других веществ,

например у ртути до 20%. Но при этом у воды обнаруживается аномалия: при

4°С теплоемкость в обоих случаях одинакова и лишь с повышением температуры

она становится разной. При этом минимальная теплоемкость наблюдается при

постоянном давлении и при температуре 27 °С, а при постоянном объеме такого

минимума не наблюдается и с повышением температуры теплоемкость постепенно

снижается. Заметим, что одна и та же масса воды, находящейся в парообразном

состоянии, может быть нагрета в два-три раза легче, чем та же масса жидкой

водой. Еще раз напомним, что объемы этих двух фаз воды относятся друг к

другу, как 1600 : 1.

А теперь рассмотрим эти же два случая (определение теплоемкости при

постоянном объеме и при постоянном давлении) для насыщенного пара. В

принятых нами условиях возможно изменение температуры и превращается в

мельчайшие капельки тумана.

Проведем с насыщенным паром, следующий опыт. Сосуд с насыщенным паром

защитим от случайного поступления или потери тепла (теплоизолируем). При

изменении давления в сосуде, казалось, можно ожидать один из двух случаев:

либо при повышении давления (и уменьшении объема пара) он станет

перенасыщенным с образованием тумана, либо в результате увеличения

температуры он перегреется. Что же надо сделать, чтобы привести пар в

первичное состояние? При перенасыщении его следует дополнительно нагреть

(т. е. сообщить положительное количество тепла), при недонасыщении нужно от

него отнять тепло, охладить (т. е. сообщить ему отрицательное количество

тепла). В первом случае теплоемкость будет положительной, а во втором

отрицательной. И вот в действительности оказывается, что теплоемкость

насыщенного водяного пара при всех температурах и давлениях всегда

отрицательная!

Этот поразительный и малопонятный результат эксперимента имеет место

не только в лабораторных условиях, но и в природе. При повышении давления

водяной газ (пар) не образует тумана и остается прозрачным, а при

разрежении туман образуется. Правда, последнее происходит при наличии

центров конденсации (пылинок), но их в атмосфере всегда достаточно.

Помимо описанных аномалий у этого удивительного вещества, каким

является вода, существуют и другие аномалии (например, аномальная

дисперсия, рассеяние, в области электрических и световых лучей и др.), но

на них, чтобы не утруждать читателя, мы останавливаться не будем.

7 Испарение, транспирация, сублимация и конденсация.

Общеизвестно, что испарение—переход вещества из жидкого или твердого

состояния в газообразное (в пар). Обычно под испарением жидкости понимают

превращение ее в пар, а испарение твердых тел называется сублимацией (или

возгонкой). Обратный процесс, т. е. переход вещества из газообразного

состояния в жидкое, именуется конденсацией. Испарение воды с поверхности

растений носит название транспирации.

При испарении молекулы переходят из жидкости в пар, преодолевая силы

молекулярного сцепления в жидкости. Процесс испарения протекает

изотермически, т. е. при постоянной температуре. Скорость испарения

определяется массой жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы

поверхности. Одной из количественных характеристик процесса испарения воды

в атмосферу является дефицит влажности, определяемый разностью между

предельной упругостью водяного пара для данной температуры и фактической

упругостью.

Если воздух в помещении полностью насыщен парами воды или если из

наполненного до краев стакана вода не убывает, но и не прибывает, это

значит, что испарение отсутствует, т. е. мы имеем состояние динамического

равновесия.

До последнего времени считалось, что лед может переходить в пар,

минуя жидкую фазу, т. е. Происходит процесс сублимации. Однако последние

более детальные исследования показали, что это далеко не так. В

действительности поверхность льда покрыта даже при отрицательных

температурах переохлажденной квазижидкой пленкой связанной воды. Таким

образом, испаряется не лед, а непрерывно пополняющаяся пленочная жидкая

вода за счет подплавления льда. Это обстоятельство имеет очень большое

народнохозяйственное значение при строительстве самых разнообразных

подземных хранилищ в условиях многолетнемерзлых грунтов.

8 Твердая вода.

Когда произносят слово «вода», то подразумевают обычно, что речь

идет о жидкости. Но вода часто находится в твердом состоянии — в виде льда.

В первой четверти нашего века немецкий химик Г. Тамман и американский

физик П. Бриджмен выявили шесть разновидностей льда, различающихся

давлениями и температурами (рис. 7):

Лед I - обыкновенный лед, существующий при давлении до 2200 аты, устойчивый

в нормальных условиях, при дальнейшем повышении давления (выше 2200

атм) переходит в разновидность II.

Лед II-с уменьшением объема на 18—20% тонет в воде, его плотность 1,2 г/см3

(при 0°С), очень неустойчив, легко переходит в модификацию III.

Лед III - также тяжелее воды (его плотность больше плотности льда I, из

которого непосредственно может быть получена описываемая модификация,

на 5%).

Лед IV -легче воды, существует при небольшом давлении и температуре немного

ниже О "С, неустойчив и легко переходит в разновидность I.

Лед V — может существовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар, его плотность

выше плотности льда III на 5,5 и воды на 6%.

Лед VI -может быть получен непосредственно из воды при температуре 60 °С и

давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификации

льда 76 "С), его плотность выше плотности льда V на 4 и воды на 6%.

Эти шесть модификаций льда образуют резко различные полимерные

группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I,

IV), в другую—более тяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой

группы сокращаются в объеме, а второй, наоборот, увеличиваются. Различия

между модификациями льда обусловлены не химическими свойствами, а

молекулярным строением льда.

По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых

случаях так называемого донного льда, о котором подробнее будет идти речь в

дальнейшем.

Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях по

плотности близки к плотности обычного льда (различия в плотности обычно не

превышают 6%). Однако в астрофизическом центре университета в Толедо (США,

штат Огайо) американскими учеными А. Дальсом и А. Венджером была открыта

сверхплотная модификация льда при температуре ниже минус 173 °С и давлении

(6— 8) -Ю-3 мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см3 (по плотности

он близок к гнейсу — 2,4 г/см3). Этот лед аморфен и может играть большую

роль в физике планет и комет.

Замерзание природной воды зависит от температуры, давления,

минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так,

при концентрации раствора поваренной соли NaCI 5 г/л он замерзнет при

минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус 7,44 °С.

Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор от замерзания,

происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, при добыче

соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося

жидкого раствора повышается.

Каждой, температуре соответствует вполне определенная концентрация

раствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадет до

минус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после

чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и

соли, называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зубова [1945], лед

образуется из морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5;

при 100 г/л — при 6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.

Лед очень прозрачен для солнечной энергии, особенно для

ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо

пропускает солнечное излучение. Но даже самые тонкие (1—2 мм) слои льда

совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного

излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагревания воды подо

льдом. Теплопроводность льда довольно высокая—53·10-4 кал/ (см · сек · °С);

для сравнения: теплопроводность воды—14, а воздуха— 0,57 кал/(см · сек ·

°С).

излучений и т. д.

9 Серебряная вода и ее применение.

Еще 2500 лет назад персидский царь Кир во время походов пользовался

водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В древней Индии для обезвреживания

воды от патогенной микрофлоры в нее погружали раскаленное серебро.

Многовековой опыт показал, что ионы серебра подавляют размножение многих

бактерий.

Впервые научные наблюдения над серебряной водой в конце XIX в. провел

швейцарский ботаник К. В. Негели. С тех пор во многих странах было

выполнено значительное число работ по изучению эффективных способов ее

получения и применения, выпущена обильная литература о серебряной воде. В

нашей стране разработаны и выпущены в продажу специальные приборы для

получения в домашних условиях электролитического раствора серебра,

Серебряная вода использовалась при полетах космонавтов. В Японии и в США

серебро применяется для обеззараживания воды в плавательных бассейнах, а в

Китае — для производства минеральных и фруктовых вод. Серебряная вода может

применяться для консервирования сливочного масла, маргарина, меланжа,

молока, микстур и даже для ускорения процессов старения вин и улучшения их

вкусовых качеств.

Электролитический раствор серебра служит эффективным средством при

лечении воспалительных и гнойных процессов, желудочно-кишечных заболеваний,

язвенной болезни, холецистита, воспаления глаз, носоглотки, ожогов и т. п.

Он применяется также в ветеринарии для профилактических и лечебных целей.

Химические свойства воды.

1 Характеристика природной воды.

До сих пор мы рассматривали особенности «чистой» воды, не

существующей в природе. Теперь мы попытаемся дать пока краткую

характеристику природной воды, в которой всегда растворены различные

газообразные и твердые (а подчас и жидкие) вещества, создающие громадное

разнообразие (по минеральному составу) природных растворов.

По содержанию в 1 л воды растворенных веществ различают три группы

вод:

Таблица 1

Содержание в 1л. воды растворенных веществ

| |Кол-во растворенных |

| |веществ, г |

|Пресные |Менее 1 |

|Минерализованные|1-50 |

|Рассолы |Более 50 |

В воде могут раствориться все элементы периодической системы, включая и

такие почти не растворимые, как кремень (например, кварц – двуокись кремния

SiO2). Все зависит от температуры, давления и присутствия в растворе других

компонентов. Природные воды могут существовать в температурных пределах от

близкой к абсолютному нулю (минус 273 °С, или 0°К) до примерно 2000 °С;

могут испытывать давление от тысячных долей атмосферы (единицы миллиметров

ртутного столба или единицы миллибар) до десятков тысяч атмосфер (порядка

30—40кбар).

2 Растворимость газов в воде

В природной воде могут быть растворены газы как воздушного

(атмосферного), так и подземного происхождения. В наиболее пресной дождевой

воде, прежде всего, растворяются кислород и азот. Как известно, воздушная

смесь газов земной атмосферы в основном состоит из 79 частей азота и 21

части кислорода. Хотя растворимость кислорода почти в два раза выше

растворимости азота, все же в воде азота растворяется почти в два раза

больше, чем кислорода (рис. 8).

Растворимость в воде газов различна и зависит от ряда факторов:

температуры, давления, минерализации, присутствия в водном растворе других

газов. С повышением температуры до 90 °С растворимость газов в воде

снижается, а затем возрастает. Так, в 1 л воды при температуре 20 °С

растворяется 665 мл 4630, аммиака—I 300000. Как видно из этих примеров,

растворимость зависит и от состава самого газа.

Повышение давления влечет за собой увеличение растворимости газов.

Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3

л, а при 53 атм — 26,9.

При повышении минерализации воды растворимость газа падает. Так, при

0°С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л

составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л*—только 15, т. е. в три раза

меньше.

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что растворимость газа

в природной воде при постоянных температуре и степени минерализации прямо

пропорциональна давлению газа на жидкость, для газовых смесей она

пропорциональна давлению каждого газа в отдельности. Но это справедливо для

сравнительно небольших давлений. При значительных давлениях, например на

больших глубинах в океане, где давление подчас достигает сотен и даже

тысячи атмосфер, на растворимость газов в воде влияет не парциальное

давление отдельных газов, а общее давление всего столба воды, но об этом

речь впереди.

В растворенном газе дождевой воды углекислоты в 33 раза больше, чем в

воздухе, а кислорода в два раза больше.

Углекислый газ поступает в атмосферу (наземную и подземную)

преимущественно за счет окисления, брожения и гниения органических остатков

и дыхания водных организмов. В атмосфере его содержание при парциальном

давлении 0,0003 атм невелико - около 0,03%.

В 1 л чистой воды при таком давлении и температуре 15 °С может

раствориться всего лишь 0,59 мг углекислого газа. В земных недрах на

значительных глубинах его содержание может достигать очень больших

значений, и источником этого газа чаще служат глубинные процессы выделения

его из вещества мантии и нежней литосферы.

3 Растворимость твердых веществ в воде.

Процесс растворения твердых веществ в воде можно рассматривать как

борьбу двух электростатических сил с противоположными зарядами, присущих

ионам твердого вещества, с одной стороны, и ионам и молекулам воды — с

другой. На рис. 9 показана схема процесса растворения кристалла поваренной

соли (NaCI). Оторванные от кристалла заряженные ионы хлора и натрия

окружаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества

гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое

вещество выпадает из насыщенного раствора в осадок. Например, выпадающий из

раствора при его пересыщении сульфат кальция (Са[S04]) захватывает воду

(называемую кристаллизационной) и становится гипсом (Ca[S04] · 2H20).

Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с

гематитом (железным блеском Fe2Оз), переходящим при гидратации в лимонит

(бурый железняк HFeO2 · nH2O, где п достигает 4) и т. п.

Процессы гидратации могут происходить настолько быстро и

сопровождаться столь значительным увеличением объема, что приводят к

нарушениям земной коры, подобно тектоническим дислокациям.

Растворы представляют собой сложные промежуточные системы между

физическими смесями и химическими соединениями. Процесс растворения —

процесс диффузионный. При достижении предела растворения (при известных

температуре и давлении) наступает динамическое равновесие между

количествами как растворяемого вещества, так и выпадающего из раствора,

образуется насыщенный, или концентрированный, раствор. Д. И. Менделеев

относил процесс растворения не к физическим, а к химическим процессам на

том основании, что нередко при растворении выделяется тепло. Это происходит

вследствие химического взаимодействия между растворяемым веществом и

растворителем. Процентное содержание воды в некоторых минералах очень

велико. Например, мирабилит Na2S04·10H20 содержит 56 вес. % воды,

гидробазалюминит А14[(ОН)10SO4]3 · 36Н2O — 60, сода Na2СOз·10H2О — 55 и т.

д.

Твердое вещество образует водный раствор из молекул и ионов с

диаметром 1—10А. Но в воде могут содержаться и более крупные частицы: от 10

до 100А, которые образуют чаще всего не истинные, а коллоидные растворы.

Страницы: 1, 2, 3