Зм 1.1. Теоретичні основи водопідготовки

Тема 1. Властивості води, її значення у природі і господарстві

Вода - саме дивне і найбільш поширене на нашій планеті речовина. Відомо, що всі живі організми вийшли з води. Без неї немислиме життя і зараз. Рослини і тварини на 60-75% складаються з води. Втрата або навіть нестача її погрожують їм загибеллю. Володіючи хорошою тепломісткістю, плинністю, розчинністю, підйомної силою та іншими цінними якостями, вода є складовою і невід'ємною частиною практично всіх виробничих процесів.

Академік В.І. Вернадський відніс воду до царства мінералів. І це не випадково: вода по багатьом властивостям схожа на мінерал. Маючи абсолютно визначену, тільки їй властиву внутрішню структуру, вода зберігає свої властивості в усіх станах.

Проблема води та особливостей її впливу на різні біологічні структури і процеси вже багато десятиліть привертає постійну увагу з боку фізиків, хіміків та біологів. Інтерес до цієї проблеми визначається, перш за все, унікальним значенням води в біологічних системах. Як відомо, вода поряд з білками і нуклеїновими кислотами виступає в якості обов'язкової складової живих організмів, а також безперервного учасника практично всіх біологічних процесів.

Безперервність водного середовища створює хороші умови для швидкого розповсюдження в гідросфері забруднень, що надійшли до неї. Це тягне за собою зниження водозабезпечення та погіршення соціально-економічних умов життя людей не тільки в слабо забезпечених, але і в багатих природними водами районах. Саме тому значення води безперервно зростає в міру розвитку продуктивних сил, а питання раціонального використання водних ресурсів набувають все більшої актуальності.

1.1. Будова молекули води і її стан

Вода може перебувати в трьох агрегатних станах - газоподібному, рідкому і твердому. У кожному з цих станів структура води неоднакова. У залежності від складу знаходяться в ній речовин вода набуває нових властивостей. Твердий стан води також буває принаймні двох типів: кристалічний - лід і некристалічні - склообразний, аморфний (стан вітрифікації). При миттєвому заморожування за допомогою, наприклад, рідкого азоту, молекули не встигають побудуватися в кристалічну решітку і вода набуває тверде склоподібного стану. Саме ця властивісь води дозволяє заморожувати без пошкодження живі організми, такі, як одноклітинні водорості, листочки моху Mnium, що складаються з двох шарів клітин. Заморожування ж з утворенням кристалічної води призводить до пошкодження клітин. Для кристалічного стану води характерна велика різноманітність форм. Давно помічено, що кристалічні структури води нагадують радіолярії, листя папороті, квіти.

1.2. Фізичні властивості води

Вода - аномальна речовина, хоча прийнята за еталон заходу щільності й обсягу для інших речовин.

Щільність. Всі речовини збільшують об'єм при нагріванні, зменшуючи при цьому щільність. Однак при тиску 0,1013 Мпа (1 атм) у води у інтервалі від 0 до 4°С при збільшенні температури об'єм зменшується і максимальна щільність спостерігається при 4°С (при цій температурі 1 см³ води має масу 1 г). При замерзанні об'єм води різко зростає на 11%, а при таненні льоду при 0°С так само різко зменшується. Зі збільшенням тиску температуру замерзання води знижується через кожні 13,17 МПа (130 атм) на 1°С. Тому на великих глибинах при мінусових температурах вода в океані не замерзає. Зі збільшенням температури до 100°С густина рідкої води знижається на 4% (при 4°С щільність її дорівнює 1).

Точки кипіння і замерзання (плавлення). При тиску 0,1013 Мпа (1 атм) точки замерзання і кипіння води знаходяться при 0°С і 100°С, що різко відрізняє воду від сполук водню з елементами 6-ї групи періодичної системи Менделєєва. Температура кипіння води зростає зі збільшенням тиску, а температура замерзання (плавлення) - падає.

Теплота плавлення. Прихована теплота плавлення льоду дуже висока-близько 335 Дж/г (для заліза - 25, для сірки - 40). Ця властивість виявляється, наприклад, в тому, що лід при нормальному тиску може мати температуру від -1 до -7°С. Прихована теплота пароутворення води (2,3 кДж/г) майже в 7 разів вище прихованої теплоти плавлення.

Теплоємність. Величина теплоємності води (тобто кількість теплоти, яка необхідна для підвищення температури на 1°С) в 5-30 разів вище, ніж у інших речовин. Лише водень і аміак мають більшу теплоємність. Крім того, лише у рідкої води і ртуті питома теплоємність із підвищенням температури від 0 до 37°С падає (потім починає зростати). Виходить, що легше всього вода нагрівається і швидше за все охолоджується при температурі, рівній 37°С. Питома теплоємність води при 16°С умовно прийнята за одиницю, служачи еталоном для інших речовин. Оскільки теплоємність піску в 5 разів менше, ніж у рідкої води, то при однаковому нагріванні сонцем вода у водоймище нагрівається в 5 разів слабкіше, ніж пісок на березі, але в стільки ж разів довше зберігає теплоту. Висока теплоємність води захищає рослини від різкого підвищення температури при високій температурі повітря, а висока теплота пароутворення бере участь у терморегуляції у рослин.

Високі температури плавлення і кипіння, висока теплоємність свідчать про сильне тяжіння між сусідніми молекулами, внаслідок чого рідка вода має велике внутрішнє зчеплення.

Поверхневий натяг і прилипання. На поверхні води через некомпенсірованість зчеплення (когезії) її молекул створюється поверхневий натяг, величина якого при 18°С дорівнює 0,72 мН/см (вище тільки у ртуті - 5 мН/см). Вода також має властивість адгезії (прилипання), котра виявляється при її підйомі проти гравітаційних сил. У капілярах поєднуються сили зчеплення молекул води в прикордонному з повітрям шарі з її адгезією з матеріалом стінок капіляра. У результаті в капілярі утворюється увігнута поверхня води вище її вихідного рівня. У ртуті, що не володіє властивістю адгезії, поверхня меніска в капілярі випукла. Те ж спостерігається в капілярах з незмочувальна водою стінками.

Особливими фізичними властивостями володіє тала вода. У неї інша в'язкість, теплота випаровування і цілий ряд інших показників. Для талої води характерна підвищена біологічна активність: политі нею кімнатні квіти краще ростуть, а насіння, поміщені в неї, швидше проростають.