Форма вода лед газ

Три состояния воды: жидкость, лед и газ

Вода повсюду. Это самое распространенное в природе вещество. Большая часть поверхности планеты занята морями и океанами, когда-то, согласно исследованиям ученых, из нее вышли на сушу все наземные существа.

Вода – удивительная субстанция, не имеющая аналогов в природе. Это вещество, которое умеет изменяться радикально под влиянием температуры окружающей среды.

Три состояния воды – лед, жидкость, газ – называются агрегатными. Они на первый взгляд так разнятся, и можно подумать, что это различные материалы. Однако выпавший с утра снег, проходящий дождь и облака над головами – виды одного и того же вещества, но с разными физическими свойствами, и качественно отличающиеся друг от друга.

Круговорот — возможность, данная природой

Три состояния воды очень важны для нашей планеты, так как обеспечивают круговорот. С водных поверхностей текущих рек, морей и океанов жидкость испаряется под влиянием солнечных лучей, превращается в газообразное состояние, то есть пар. Он поднимается вверх, превращаясь в облака. Поскольку температура там ниже, образуются капельки воды (она снова превращается в жидкость). Из облаков в виде осадков вода попадает на землю, восполняет реки и Мировой Океан.

Три агрегатных состояния воды

На вопрос, что есть вода, многие люди, не задумываясь, ответят — жидкость! И будут не совсем правы. Конечно же, мы привыкли видеть воду в природе в основном в жидком состоянии. Однако она имеет три формы: жидкую, твердую (в виде снега, льда, града) и газообразную (пар, облака). Рассмотрим каждый вариант поподробнее.

Жидкость

Если сравнивать три состояния воды, то в жидком виде она встречается чаще при довольно широком спектре температур (от 0 до 100). В реках, озерах, морях, океанах она имеет жидкую субстанцию. Роса, дождь – осадки также в виде жидкости. Она не имеет формы, вкуса и запаха – все это воде придают внешние влияния. Например, жидкость принимает форму той посуды, куда мы ее перелили, перенимает запахи и вкус добавок (того же хлора в водопроводе). Жидкая форма воды податлива, но имеет громадную силу. Как говорится в поговорке, вода камень точит. А жидкость создает пещеры и разрушает скалы, меняя планетарный рельеф.

Значение жидкости для человека

Если брать все три состояния воды, то жидкое имеет для человека, да и для всего живого на Земле первостепенное значение. H₂O широко используется в быту, для гигиены и санитарии: везде востребована вода в жидком виде. А каждому человеку в сутки потреблять нужно довольно большое ее количество (до 2-х литров) для пополнения водного баланса. Учеными доказано, что без еды при определенной тренировке человек может обходиться до 40 дней, а вот без воды и недели не протянет. Наступает обезвоженность организма на клеточном уровне, а затем смерть.

Твердое состояние

Любое вещество в природе состоит из мелких частиц, находящихся в движении. При понижении температуры до минусовой частицы воды начинают двигаться медленнее, и жидкость приобретает твердую структуру. Опытным путем можно проверить: жидкость (вода) при переходе в твердое состояние не только превращается в лед, но и изменяется в объеме – расширяется (практически все предметы при аналогичном охлаждении, наоборот, уменьшаются в размерах).

Если бутылку из стекла с водой заморозить, то она лопнет. Лед на водоемах и могучие айсберги, сосульки на крыше, снег, град – все это твердые состояния воды. В природе и хозяйственной жизни людей лед имеет важное значение, выполняя защитные, санитарные, охлаждающие функции. К примеру, охлаждение медицинских препаратов или пищевых продуктов.

Но лед в природе может являться и стихийным бедствием. Град и обледенение проводов, приводящее к обрывам, гололедица, приводящая к травмам, промерзание почв и снежные лавины – все это последствия действия твердого состояния воды.

Газообразное состояние

Рассматривая 3 состояния воды, нельзя не уделить внимание третьей ее ипостаси – водяному пару. Нагрев воду до 100 градусов, получим переход ее в состояние газа. В окружающей природе такая форма встречается в виде различного рода облаков, туманов, испарений при повышении влажности. А в атмосфере нашей планеты постоянно находятся мельчайшие частички воды.

Газообразное состояние воды, вызываемое искусственным путем, сыграло огромную роль в развитии научно-технического прогресса и в жизни всего человечества. Паровые машины еще в прошлом веке применялись достаточно широко (не говоря уже о 19-м столетии) для вырабатывания энергии, благодаря которой агрегаты могли приходить в движение. К примеру, паровоз и автомобиль работали, используя энергию пара.

Ценность воды

Все три состояния воды в природе для человечества имеют огромную ценность. А переход ее из одного вида в другой выполняет функции глубокого очищения окружающей среды. В результате круговорота огромные массы жидкости самоочищаются и приносят пользу человеку. В связи с этим возникает явная необходимость беречь водные ресурсы, содержать их в чистоте и не загрязнять воду продуктами жизнедеятельности человека и промышленными выбросами.

Источник

Какое строение имеет молекула воды

Вода является источником жизни для всех живых организмов.

Молекула воды имеет уникальное строение. В ней удивительным образом сочетаются прочность и устойчивость кристаллической структуры (льда), и подвижность жидкого вещества.

В статье мы подробно рассмотрим особенности строения молекулы воды в различных агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном.

Какое строение имеет молекула воды

Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.

Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.

Одна молекула воды состоит из трех атомов: двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. Химическая формула: H₂O

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.

Молекула воды, картинка № 1

По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода. Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.

Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.

Молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса и поэтому в большинстве случаев ведёт себя как диполь (т.е. на одной стороне – положительный заряд, на другой – отрицательный)

Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.

Водородная связь

В жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты за счёт особой химической связи, которая называется водородной.

Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность.

Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.

На картинке № 2 показано образование димера воды с одной водородной связью.

Димер — это две молекулы Н2О, соединенные водородной связью. Связь между молекулами воды водородная.

Каждая молекула способна образовать четыре водородные связи: две между неподеленными электронными парами её атома кислорода и атомами водорода соседних молекул и ещё две – между атомами водорода и атомами кислорода двух других молекул.

Энергия водородной связи может изменяться от 17 до 33 кДж/моль.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

1. Жидком. Это ее преимущественное состояние в нормальных условиях. Жидкая вода образует многочисленные реки, ручьи, озёра, Мировой океан.
2. Твердом – это лед, а его кристаллы часто образуют иней или снег.
3. Газообразном — водяной пар.

Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.

Примечательно, что различные формы воды могут одновременно находиться рядом и даже взаимодействовать, например реки с ледниками, айсберги с морской водой, облака на небе с водяным паром.

Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.

Представляет собой твердое состояние воды.

Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.

Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.

Жидкая вода

В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.

Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.

При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Водяной пар

Это газообразное агрегатное состояние воды.

При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.

Из чего состоит вода

При обычных условиях вода выглядит как прозрачная жидкость. У нее отсутствуют вкус и запах. При небольшой толщине слоя не наблюдается даже цвета.

Вода является отличным растворителем. В природе в ней постоянно находятся растворенные газы и соли. При соединении атомов кислорода с водородом получается молекула воды. Поскольку более сильными являются водородные соединения, то, когда происходит их разрыв, они прикрепляются к иным веществам, помогая тем растворяться.

Из-за своего малого размера каждую молекулу растворенного вещества окружают очень много молекул воды. Благодаря этому в ней присутствуют отрицательные и положительные ионы.

Чистая вода является еще и хорошим изолятором с концентрацией протонов и гидроксильных ионов в количестве 10-7 моль/л, это позволяет ей проводить электричество. Именно по ее электропроводности можно оценивать чистоту жидкости.

При взаимодействии с другими веществами состав воды не изменяется, что играет особую роль в жизни любого живого организма. Ведь очень важно, чтобы жидкостные растворы, через которые в организм поступают полезные вещества, не изменялись.

Кроме того, вода хорошо поглощает инфракрасное и микроволновое излучение, а также способна хранить в себе память о веществах, которые были в ней растворены.

Элементы

Проходя гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков вода может дополняться разными химическими элементами, которые можно разделить на 6 категорий. Рассмотрим информацию в таблице № 1.

Таблица № 1 «Элементы, которые могут входить в состав воды».

Ионы	Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO3 и SO4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве.
Растворенные газы	Кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
Биогенные элементы	Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков
Микроэлементы	Их насчитывается около 30 видов: бром, селен, медь, цинк и т. д. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр.
Органические вещества	Спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
Токсины	Тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.

В настоящий момент доступны специальные методы очистки, которые эффективно борются с вредными химическими соединениями.

Вода также может содержать в себе магний и катионы кальция. В зависимости от этого ее подразделяют на мягкую и жесткую.

По изотопам водорода в молекуле воды можно говорить о легкой воде, тяжелой и сверхтяжелой воде.

Подводим итоги

Вода необходима для жизни всего живого на Земле. Она участвует в мировом круговороте воды в природе. Благодаря испарению с поверхности водоемов, почвы, растений образуются облака. Затем они выпадают в виде дождя, снега, града, питая собой подземные воды и родники. Родниковые воды по рекам попадает в море.

Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы — это и есть круговорот воды в природе.

Уникальное строение молекулы воды помогает ей трансформироваться в три агрегатных состояния.

При замерзании воды ее молекулы собираются в небольшие группы. При испарении находится на расстоянии относительно друг друга. Жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

1. Химия и микробиология воды. Учебное пособие В. В. Котов, Г.А. Нетесова
2. Конспект лекций ГИДРОГЕОХИМИЯ. Киреева Т.А., МГУ им. М.В. Ломоносова, 2016

Источник

ВОДА, ЛЕД И ПАР

ВОДА, ЛЕД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния химического соединения молекулярной формулы Н₂О.

Историческая справка.

Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г.Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А.Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й.Берцелиус и П.Дюлонг (1819), а также Ж.Дюма и Ж.Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду. Исходя из этих данных, они определили отношение Н:О для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж.Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н₂О.

Распространенность.

Вода покрывает 3/4 поверхности Земли. Тело человека состоит из воды примерно на 70%, яйцо – на 74%, а некоторые овощи – это почти одна вода. Так, в арбузе ее 92%, в спелых томатах – 95%.

Вода в природных резервуарах никогда не бывает однородной по составу: она проходит через горные породы, соприкасается с почвой и воздухом, а потому содержит растворенные газы и минеральные вещества. Более чистой является дистиллированная вода.

Морская вода.

Состав морской воды различается в разных регионах и зависит от притока пресных вод, скорости испарения, количества осадков, таяния айсбергов и т.д. См. также ОКЕАН.

Минеральная вода.

Минеральная вода образуется при просачивании обычной воды сквозь породы, содержащие соединения железа, лития, серы и других элементов.

Мягкая и жесткая вода.

Жесткая вода содержит в больших количествах соли кальция и магния. Они растворяются в воде при протекании по породам, сложенным гипсом (СaSO₄), известняком (СаСО₃) или доломитом (карбонаты Mg и Са). В мягкой воде этих солей мало. Если вода содержит сульфат кальция, то говорят, что она обладает постоянной (некарбонатной) жесткостью. Ее можно умягчить добавлением карбоната натрия; это приведет к осаждению кальция в виде карбоната, а в растворе останется сульфат натрия. Соли натрия не вступают в реакцию с мылом, и расход его будет меньше, чем в присутствии солей кальция и магния.

Вода, обладающая временной (карбонатной) жесткостью, содержит бикарбонаты кальция и магния; ее можно умягчить несколькими способами: 1) нагреванием, приводящим к разложению бикарбонатов на нерастворимые карбонаты; 2) добавлением известковой воды (гидроксида кальция), в результате чего бикарбонаты превращаются в нерастворимые карбонаты; 3) с помощью обменных реакций.

Вода, содержащая в большом количестве растворенный диоксид углерода, просачиваясь через известняковые породы, растворяет их, что приводит к образованию пещер. При повышении температуры начинается обратный процесс: бикарбонат разлагается и вновь образуется известняк. Именно из него состоят сталактиты и сталагмиты.

Молекулярная структура.

Анализ данных, полученных из спектров поглощения, показал, что три атома в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и кислородом в вершине:

Валентный угол НОН равен 104,31 ° , длина связи О–Н составляет 0,99 Å (1 Å = 10 –8 см), а расстояние Н–Н равно 1,515 Å. Атомы водорода так глубоко «внедрены» в атом кислорода, что молекула оказывается почти сферической; ее радиус – 1,38 Å.

Физические свойства.

Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0 ° С) и кипения (100 ° С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Чистая вода – плохой проводник электричества, ее удельная электропроводность равна 1,5 Ч 10 –8 Ом –1 Ч см –1 при 0 ° С. Сжимаемость воды очень мала: 43 Ч 10 –6 см 3 на мегабар при 20 ° С. Плотность воды максимальна при 4 ° С; это объясняется свойствами водородных связей ее молекул.

Давление паров.

Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится – все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Давление паров в равновесии зависит от температуры и называется давлением насыщенного пара (или его упругостью). Когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним давлением, вода закипает. При обычном давлении 760 мм рт.ст. вода кипит при 100 ° С, а на высоте 2900 м над уровнем моря атмосферное давление падает до 525 мм рт.ст. и температура кипения оказывается равной 90 ° С.

Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье.

Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100 ° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0 ° С.

Химические свойства.

Каталитическое действие.

Очень многие химические реакции протекают только в присутствии воды. Так, окисление кислородом не происходит в сухих газах, металлы не реагируют с хлором и т.д.

Гидраты.

Многие соединения всегда содержат определенное число молекул воды и называются поэтому гидратами. Природа образующихся при этом связей может быть разной. Например, в пентагидрате сульфата меди, или медном купоросе CuSO₄ Ч 5H₂O, четыре молекулы воды образуют координационные связи с ионом сульфата, разрушающиеся при 125 ° С; пятая же молекула воды связана так прочно, что отрывается лишь при температуре 250 ° С. Еще один стабильный гидрат – серная кислота; она существует в двух гидратных формах, SO₃ Ч H₂O и SO₂(OH)₂, между которыми устанавливается равновесие. Ионы в водных растворах тоже часто бывают гидратированы. Так, Н + всегда находится в виде иона гидроксония Н₃О + или Н₅О₂ + ; ион лития – в виде Li (H₂O)₆ + и т.д. Элементы как таковые редко находятся в гидратированной форме. Исключение составляют бром и хлор, которые образуют гидраты Br₂ Ч 10 H₂O и Cl₂ Ч 6H₂О. Некоторые обычные гидраты содержат кристаллизационную воду, например хлорид бария BaCl₂ Ч 2H₂O, английская соль (сульфат магния) MgSO₄ Ч 7H₂O, питьевая сода (карбонат натрия) Na₂CO₃ Ч 10 H₂O, глауберова соль (сульфат натрия) Na₂SO₄ Ч 10 H₂O. Соли могут образовывать несколько гидратов; так, сульфат меди существует в виде CuSO₄ Ч 5H₂O, CuSO₄ Ч 3H₂O и CuSO₄ Ч H₂O. Если давление насыщенного пара гидрата больше, чем атмосферное давление, то соль будет терять воду. Этот процесс называется выцветанием (выветриванием). Процесс, при котором соль поглощает воду, называется расплыванием.

Гидролиз.

Гидролиз – это реакция двойного разложения, в которой одним из реагентов является вода; трихлорид фосфора PCl₃ легко вступает в реакцию с водой:

Аналогичным образом гидролизуются жиры с образованием жирных кислот и глицерина.

Сольватация.

Вода – полярное соединение, а потому охотно вступает в электростатическое взаимодействие с частицами (ионами или молекулами) растворенных в ней веществ. Образовавшиеся в результате сольватации молекулярные группы называются сольватами. Слой молекул воды, связанный с центральной частицей сольвата силами притяжения, составляет сольватную оболочку. Впервые понятие сольватации было введено в 1891 И.А.Каблуковым.

Тяжелая вода.

В 1931 Г.Юри показал, что при испарении жидкого водорода его последние фракции оказываются тяжелее обычного водорода вследствие содержания в них в два раза более тяжелого изотопа. Этот изотоп называется дейтерием и обозначается символом D. По своим свойствам вода, содержащая вместо обычного водорода его тяжелый изотоп, существенно отличается от обычной воды.

В природе на каждые 5000 массовых частей Н₂О приходится одна часть D₂O. Это соотношение одинаково для речной, дождевой, болотной воды, подземных вод или кристаллизационной воды. Тяжелая вода используется в качестве метки при исследовании физиологических процессов. Так, в моче человека соотношение между Н и D тоже равно 5000:1. Если дать пациенту выпить воду с большим содержанием D₂O, то, последовательно измеряя долю этой воды в моче, можно определить скорость выведения воды из организма. Оказалось, что около половины выпитой воды остается в организме даже спустя 15 сут. Тяжелая вода, вернее, входящий в ее состав дейтерий – важный участник реакций ядерного синтеза.

Третий изотоп водорода – тритий, обозначаемый символом Т. В отличие от первых двух он радиоактивен и обнаружен в природе лишь в малых количествах. В пресноводных озерах соотношение между ним и обычным водородом равно 1:10 18 , в поверхностных водах – 1:10 19 , в глубинных водах он отсутствует. См. также ВОДОРОД.

Лед, твердая фаза воды, используется в основном как хладагент. Он может находиться в равновесии с жидкой и газообразной фазами или только с газообразной фазой. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что связано с особенностями преломления им света. Сжимаемость льда очень низка.

Лед при нормальном давлении существует только при температуре 0 ° С или ниже и обладает меньшей плотностью, чем холодная вода. Именно поэтому айсберги плавают в воде. При этом, поскольку отношение плотностей льда и воды при 0 ° С постоянно, лед всегда выступает из воды на определенную часть, а именно на 1/5 своего объема. См. также АЙСБЕРГИ.

Пар – газообразная фаза воды. Вопреки общепринятому мнению, он невидим. Тот «пар», который вырывается из кипящего чайника, – это на самом деле множество мельчайших капелек воды. Пар обладает свойствами, очень важными для поддержания жизни на Земле. Хорошо известно, например, что под действием солнечного тепла вода с поверхности морей и океанов испаряется. Образующиеся водяные пары поднимаются в атмосферу и конденсируются, а затем выпадают на землю в виде дождя и снега. Без такого круговорота воды наша планета давно превратилась бы в пустыню.

Пар имеет множество применений. С одними мы хорошо знакомы, о других только слышали. Среди наиболее известных устройств и механизмов, работающих с применением пара, – утюги, паровозы, пароходы, паровые котлы. Пар вращает турбины генераторов на тепловых электростанциях. См. также КОТЕЛ ПАРОВОЙ; ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ; ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА.

Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л., 1975
Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987

Источник