
- •Вода — основа життя
- •1.Фізико-хімічні властивості води
- •2. Природна вода.
- •Мінеральні води.
- •Міжнародні нормативи вооз для контролю якості питної води
- •Контроль якості води в Україні
- •Очищення і використання води.
- •6.1. Технічна вода.
- •6.2. Водопідготування
- •Інші процеси водоочищення.
- •Особливі властивості води.
- •Ще одна маловідома функція води.
Вода — основа життя
Сполука Гідрогену з Оксигеном вода є життєвим середовищем усіх біологіч-них систем. Вода — це одна з найпошире-ніших на Землі сполук. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі, вона входить до складу планет сонячної сис-теми і її супутників. Кількість води на поверхні Землі оці-нюється в 1,39·1018 т, більша частина її знаходиться у морях і океанах. Кількість доступних для використання прісних вод у річках, озерах, болотах і водосховишах складає 2·1014 т. Маса льодовиків Антарктики, Антарктиди і високогірних районів — 2,4·1016 т, приблизно стільки ж є підземних вод, причому тільки невелика їх частина — прісні. У глибинних шарах Землі утримується значно більше (очевидно, не менше, ніж на по-рядок) води, ніж на поверхні. В атмосфері знаходиться біля 1,3·1013 т води. Вода входить до складу багатьох мінералів і гірських порід (глин, гіпсу, алюмосилікатів і ін.), присутня у грунті, є обов'язковим компонентом всіх живих організмів, входить до складу харчових продуктів.
1.Фізико-хімічні властивості води
Існує 9 стійких ізотопних різновидів води. Вміст їх у прісній воді у середньому наступний (мол. %): 1Н216О — 99,73; 1Н218О — 0,2; 1Н217О — 0,04; 1Н22Н216О — 0,03; решта п'ять ізотопних різновидів присутні у воді у мізерних кількостях. Крім стабіль-них ізотопних різновидів, у воді утримується невелика кількість радіоактивного Гідрогену у вигляді 3Н216О (або Т2О). Ізотопний склад природної води різного походження дещо змінний. Особливо це стосується співвідношення 1Н/2Н: у прісних водах — у середньому 6900, у морській воді — 5500, у льодах — 5500 — 9000. За фізичними властивостями D2О значно відрізняється від Н2О, тоді як вода, яка містить 18О, за властивостями ближча до води з 16О.
В молекулах води атоми Гідрогену і Оксигену розміщені у кутах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку О-Н 0,0957 нм; валентний кут <Н-О-Н дорівнює 104,50; дипольний момент 6,17·10-30 Кл·м2 ; поляризуємість молекули 1,45·10-3 нм3; середній квадрупольний момент — 1,87·10-41 Кл·м2 ; енергія іонізації 12,6 еВ; спорідненість до протона 7,1 еВ.
Фізико-хімічні властивості води аномальні. Плавлення льоду при атмосферному тискові супроводжується зменшенням об'єму на 9%. Нижче наводимо значення величин, які характеризують властивості води у різних агрегатних станах (табл. 1-6)
Таблиця 1. Кристалічні модифікації льоду
Показник |
Лід |
|||||
I |
II |
III |
V |
VI |
VII |
|
Відносна густина |
0,92 |
1,12 |
1,03 |
1,09 |
1,13 |
1,5 |
Відносний молярний об'єм |
1,096 |
0,89 |
0,97 |
0,92 |
0,88 |
0,67 |
Таблиця 2. Потрійні точки води і модифікацій льоду
Система |
Температура, 0С |
Тиск, МПа |
Вода — лід І — лід ІІІ |
-22,0 |
207 |
Лід І — лід ІІ — лід ІІІ |
-34,7 |
213 |
Вода — лід ІІІ — лід V |
-17,0 |
346,5 |
Лід ІІ — лід ІІІ — лід V |
-24,3 |
344,5 |
Вода — лід V — лід VІ |
+0,16 |
626 |
Вода — лід VІ — лід VІІ |
+81,6 |
2199 |
Таблиця 3. Фізико-хімічні константи льоду
Параметр |
Значення |
Густина при 00С і 101325 Па |
916,8 кг/м3 |
Параметри решітки |
а=0,4535 нм |
Модуль пружності Юнга при -100С і 101325 Па |
9444486,5 Мпа-1 |
Ізотермічне стиснення при 00С і 30 Па |
12·10-5 Мпа-1 |
Швидкість поширення звуку |
3160 м/с |
Діелектрична проникність при -10С і 101325 Па і 3000 Гц |
79 Ф/м |
Питомі величини при нормальних умовах теплота плавлення теплота сублімації теплоємність теплопровідність електропровідність коефіцієнт об'ємного розширення коефіцієнт лінійного розширення |
332,4 кДж/кг 2834 кдж/кг 2,039 кДж/кг ~ 2,34 Вт /(м·К) 0,4·10-10 см·м-1 12·10-5 дм3/(кг·К) 5,27·10-5 К-1 |
Термодинамічні величини теплота утворення при 00С і 101325 Па теплота плавлення при 101325 Па |
292,72 кДж/моль 6,012 кДж/моль |
Температурний коефіцієнт об'ємного розчинення льоду і рідкої води відємний при температурах відповідно нижче — 2100С і 3,980С. Теплоємність С0р при плавленні зростає майже в двоє і в інтервалі 0 — 1000С майже не залежить від температури (має мінімум при 350С). Мінімум ізотермічного стиснення (44,9·10-11 Па-1 ), який спостерігається при 460С виражений досить чітко. При низьких тисках і температурах до 300С в'язкість води з ростом тиску падає. Високі діелектрична проникність і дипольний момент води визначають її добру здатність розчиняти полярні та іоногенні речовини. Завдяки високим значенням С0р, ΔН0пл і ΔН0вип вода — важливий регулятор кліматичних умов на Землі, який стабілізує температуру на її поверхні. Крім того, наближення кута Н-О-Н до тетраедричного (109028´) обумовлює пухкість структур льоду
Таблиця 4. Фізико-хімічні константи води
Параметр |
|
Температура замерзання при 101325 Па кипіння при 101325 Па максимальної густини |
0,000С 100,000С 3,98 0С |
Критичні константи температура тиск густина |
374,150С 22,143 МПа 325,0 кг/м3 |
Швидкість поширення звуку при 250С |
1496,3 м/с |
Кріоскопічна константа |
1,85 |
Ебуліоскопічна константа |
0,516 |
Питомі величини при 101325 Па теплоємність при 150С теплопровідність при 00С теплопровідність при 450С електропровідність при 180С |
4,187 кДж/(кг·К) 0,599 Вт/(м·К) 0,645 Вт/(м·К) 4,4·10-10 см·м-1 |
Термодинамічні величини теплота утворення (-ΔН, газ, 101325 Па, 250С) етропія (S, газ, 101325 Па, 250С) вільна енергія (-ΔF, газ, 101325 Па) теплоємність при 250С енергія дисоціації Н2О ↔ Н + О + Н Н2О ↔ Н + ОН теплота електролітичної дисоціації при 200С |
241,989 кДж/моль 188,846 Дж/моль·К 288,750 кДж/моль 76,07 Дж/моль·К
-916,5 кДж/моль -493,2 кДж/моль -57150 Дж/моль |
і рідкої води, і, як наслідок, аномальну залежність густини від температури. Саме тому великі водоймища не промерзають до дна, а це забезпечує існування у них життя водних мешканців.
Для проектування технологічних процесів , зв'язаних з використанням води і водяної пари необхідні значення фізико-хімічних характеристик цих фаз, які знаходяться у рівновазі (табл. 7).
Молекули води володіють значним дипольним моментом, тому вони взаємодіють між собою і полярними молекулами інших речовин.
Таблиця 5. Фізичні константи льоду і води
Параметр |
Значення |
Електричний опір льоду при 00С рідини при 00С рідини при 500С |
0,4·10-6 Ом·м 1,47·10-6 Ом·м 18,9·10-6 Ом·м |
Діелектрична проникність льоду при 00С рідини при 250С |
91 78,3 |
Показник заломлення льоду при 00С води при 200С пари при 00С і 0,1 МПа |
1,3104 1,3333 1,000252 |
Магнітна сприйнятливість льоду при 00С рідини при 00С рідини при 250С |
-12,683·10-6 -12,937·10-6 -12,985 ·10-6 |
Коефіцієнт ізотермічного стиснення, Па-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 600С |
12 ·10-11 51,1·10-11 45,5·10-11 |
Температурний коефіцієнт об'ємного розширення, 0С-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 100С рідини при 200С |
-1,2·10-4 -3,4·10-5 9·10-5 2·10-4 |
У процесі такої взаємодії атоми гідрогену води можуть утворювати водневі зв'язки з атомами O, N, F, C, S і ін. У водяній парі при невисоких температурах і помірних тисках невелика кількість (біля 1% при температурі кипіння і атмосферному тиску0 димерів води ( для них ∆Нутв ~15 кДж/моль,), віддаль між атомами Оксигену ~0,3 нм. У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі
У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі зв'язки: два як донор протонів і два — як акцептор протонів. Середня довжина цих зв'язків у кристалічних модифікаціях льоду і кристалогідратах біля 0,28 нм. Кут О — Н ... О наближається до 1800. Чотири водневі зв'язки води напрямлені приблизно до вершин правильного тетраедра .
Таблиця 6. Фізико-хімічні константи важкої води
Параметр |
Стан або умова визначення |
t,0С |
Значення для Д216О |
Молекулярна маса |
- |
- |
20,02948 |
Густина, кг/м3 |
рідина |
25 |
1104,211 |
Температура, 0С плавлення максимальної густини кипіння критична |
101325 Па 101325 Па 101325 Па 22,75 МПа |
- - - - |
3,813 11,6 101,43 371,5 |
Тиск Критичний, МПа пари, Па·102 |
- - |
371,5 25,0 |
22,15 26,73 |
В'язкість відносна |
Рідина |
25 |
1,232 |
Показник заломлення |
Д — лінія Na |
25 |
1,32795 |
Поверхневий натяг, мН/м |
Рідина |
20 |
67,8 |
Діелектрична проникність, Ф/м |
Рідина |
25 |
78,54 |
Іонний добуток [D3O+][OD-1]·10-14 |
Рідина |
25 |
0,2 |
Дипольний момент, Кл·м·1030 |
- |
- |
6,23 |
Термодинамічні величини, кДж\моль теплота утворення (-ΔН) теплота плавлення Теплота випаровування вільна енергія (-ΔF) ентропія (S), Дж/моль·К теплоємність, Дж/моль |
Газ, 101325 Па 101325 Па 101325 Па Газ, 101325 Па Газ, 101325 Па Рідина |
25 Т.пл. 25 - 25 25 |
84,78 249,383 6,284 45,427 234,741 185,806 |
Структура модифікації льоду являє собою тривимірну сітку. Існує дев'ять кристалічних модифікацій льоду, які відрізняються своєю будовою і властивостями.
Таблиця 7. Властивості води і водяної пари, які знаходяться у рівновазі.
Т, 0С |
Густина, г/см3 |
Теплопровідність, МВт/(м·К) |
Ср0 |
|||
Рідина |
Пара |
Рідина |
Пара |
Рідина |
Пара |
|
0 |
0,99987 |
4,85·10-6 |
561,0 |
17,1 |
75,973 |
33,581 |
10 |
0,99973 |
9,4·10-6 |
580,0 |
17,6 |
75,5411 |
33,653 |
20 |
0,99823 |
1,729·10-5 |
598,5 |
18,2 |
75,342 |
33,761 |
30 |
0,99567 |
8,037·10-5 |
615,5 |
18,9 |
75,288 |
33,924 |
40 |
0,99224 |
5,116·10-5 |
630,6 |
19,6 |
75,342 |
34,122 |
60 |
0,98324 |
1,302·10-5 |
654,4 |
21,2 |
75,396 |
34,662 |
80 |
0,97183 |
2,934·10-4 |
669,8 |
23,0 |
75,613 |
35,4722 |
100 |
0,95838 |
5,977·10-4 |
678,8 |
25,1 |
75,955 |
36,644 |
120 |
0,9434 |
1,121·10-4 |
683,0 |
27,5 |
76,477 |
38,265 |
150 |
0,9173 |
2,547·10-3 |
681,7 |
31,6 |
77,648 |
41,797 |
200 |
0,8649 |
7,862·10-3 |
663,3 |
40,1 |
80,117 |
51,940 |
250 |
0,7992 |
1,998·10-3 |
625,5 |
51,3 |
87,719 |
70,586 |
300 |
0,7122 |
4,621·10-2 |
547,5 |
69,3 |
103,952 |
110,618 |
350 |
0,5745 |
0,1136 |
445,0 |
134,2 |
181,601 |
287,355 |
Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує і у рідкій воді в усьому інтервалі від температури плавлення до критичної. Збільшення густини при плавленні, як і у випадку щільних модифікацій льоду, пояснюється викривленням водневих зв'язків і відхиленням кутів між ними від тетраедричних. Викривлення зв'язків збільшується з ростом температури і тиску, що призводить до зростання густини. З іншої сторони, при нагріванні середня довжина водневих зв'язків стає більшою, в результаті чого густина зменшується. Сумісна дія цих двох факторів пояснює наявність максимума густини води при 3,98 0С.
Таблиця 7 (продовження).
Т, 0С |
Динамічна в'язкість, мкПа·с |
Тиск пари, Па |
ΔН0вип, кДж/моль |
γ, мН/м |
|
Рідина |
Пара |
||||
0 |
1792 |
9,22 |
6,108·102 |
45,058 |
75,65 |
10 |
1308 |
9,46 |
1,2271·103 |
44,632 |
74,22 |
20 |
1003 |
9,73 |
2,3368·103 |
44,207 |
72,74 |
30 |
797,7 |
10,01 |
4,2417·103 |
43,782 |
71,20 |
40 |
653,1 |
10,31 |
7,3749·103 |
43,355 |
69,00 |
60 |
466,8 |
10,94 |
1,9919·103 |
42,488 |
66,24 |
80 |
354,9 |
11,60 |
4,7359·104 |
41,597 |
62,68 |
100 |
282,1 |
12,28 |
1,01325·105 |
40,665 |
58,92 |
120 |
323,1 |
12,97 |
1,9854·105 |
39,813 |
54,97 |
150 |
181,9 |
14,02 |
4,7597·105 |
38,087 |
48,75 |
200 |
133,6 |
15,78 |
1,5551·106 |
34,933 |
37,68 |
250 |
105,8 |
17,59 |
3,9776·106 |
30,874 |
29,05 |
300 |
85,81 |
19,74 |
8,5919·106 |
25,276 |
14,37 |
350 |
65,68 |
23,72 |
1,6537·107 |
15,119 |
3,68 |
З невеликого числа молекул лише незначна їх доля (при 250 — приблизно 1 молекула на 5·109) зазнає електролітичної дисоціації за схемою: Н2О Н+ + ОН- . Протон Н+ у водному середовищі взаємодіє з молекулами води і утворює іон гідроксонію Н3О+ , який об'єднується з 1 молекулою Н2О в іон дигідроксонію Н2О2+ . Віддаль О...О у таких комплексних іонах помітно коротша довжини нормального водневого зв'язку між нейтральними молекулами. Але оскільки протон , очевидно, знаходиться не точно посередині цього вкороченого зв'язку, а ближче до одного з атомів Оксигену, можна вважати, що у воді існує гідратований іон гідроксонію Н3О+. Явище електролітичної дисоціації води відіграє велику роль у хімічних процесах, які відбуваються у різних системах, в тому числі у біологічних. Дисоціація води є причиною гідролізу багатьох речовин, до складу яких входять іони, породжені слабкими електролітами (основами або кислотами). Концентрація іонів [OH-] важлива характеристика води і водних розчинів. Для чистої води концентрації Н+ і ОН- рівні і становлять 1·10-7·1·10-7 = 1·10-14, це величина постійна і позначається як Кв (це іонний добуток води). Для води і одних розчинів важливою характеристикою є водневий показник (рН), який дорівнює значенню від'ємного логарифма з концентрації водневих іонів: рН = -lg[Н+].
При підвищенні температури дисоціація води збільшується, тому ступінь її дисоціації зростає. Концентрація іонів Н+ у природних водах і водному середовищі біологічних систем активно впливає на різні обмінні процеси, пов'язані з утворенням розчиненням або обміном мінеральних і органічних речовин, зміщенням різних рівноважних процесів, утворенням певних іонних форм речовини, на швидкість їх міграції у природних умовах.
При низьких температурах утворення води з молекул водню і кисню у відсутності каталізатора відбувається надзвичайно повільно, але при підвищенні температури швидкість процесу різко зростає і при 5500С реакція відбувається з вибухом. При зниження тиску і підвищенні температури рівновага зсувається вліво. Ступінь термічної дисоціації води (%) при 100 кПа становить: 0,034 (10150С); 0,74 (17110С); 8,6 (10150С) і 11,1 (24830С). Під впливом УФ випромінювання відбувається фотодисоціація води на іони Н+ і ОН- . Іонізуюче випромінення викликає радіоліз води з утворенням Н2, Н2О2 і вільних радикалів Н-, ОН-, НО2-; радіаційний вихід приблизно 4 молекули, що розпались, на кожні 1,6·10-17 Дж поглиненої енергії випромінювання.
Вода належить до реакційно здатних речовин. Вона окиснюється атомарним киснем: Н2О + О → Н2О2, реагує з активними металами і неметалами, основними і кислотними оксидами, утворює кристалогідрати з багатьма типами неорганічних і органічних сполук. Лужні метали реагують з водою з утворенням лугів і водню, а галогени (Cl2, Br2, I2) утворюють у реакції з водою дві кислоти HНal і HНalО. Фтор реагує з водою специфічно, крім HF, у цій реакції утворюються також О, О2, О3, Н2О2, OF2 і інші сполуки. При підвищених температурах замість HНalО галогени (Cl2, Br2, I2) утворюють з водою HНalО3, які не стійкі і розкладаються на HНal і О2. Якщо воду пропускають через розжарене вугілля вона утворює так званий водяний газ: Н2О + С → СО + Н2. При підвищенні температури у присутності каталізатора вода реагує з СО, СН4, іншими вуглеводнями, наприклад: Н2О + СО → СО2 + Н2 (каталізатор залізо), Н2О + СН4 → СО + 3Н2 (каталізатор нікель або кобальт). Ці реакції використовують для промислового одержання водню. Воду можна розглядати як перспективу для водневої енергетики . Якщо людство відкриє дешевий спосіб одержання водню з води, проблема екологічно безпечної енергетики стане значною мірою вирішеною. Для розкладу води на водень і кисень може бути залучена енергія сонця, яка харчує сонячні батареї елемента постійного електричного струму, а також можуть бути використані термохімічні способи розкладу води.
Червоний фосфор при нагріванні з водою під тиском у присутності каталізатора окиснюється до метафосфорної кислоти: 6Н2О + 3Р = 2НРО3 + 5Н2, без каталізатора взаємодія води з червоним фосфором відбувається інакше : 6Н2О + 4Р = РН3 + 3Н3РО2 (тут утворюються фосфін і гіпофосфітна кислота).
З лужними і лужноземельними металами вода реагує вже при кімнатній температурі, менш активні метали реагують з водою при підвищеній температурі, Mg і Zn — вище 1000С , Fe — вище 6000С. Вода з оксидами багатьох елементів утворює основи або кислоти.
Вода може бути каталізатором хімічної реакції. Наприклад, у реакції взаємодії водню або лужних металів з хлором (потрібні сліди води). В окремих реакціях вплив води протилежний — вона служить каталітичною отрутою (для залізного каталізатора при синтезі NH3).
За рахунок водневих зв'язків молекули води утворюють просторові сітки, у яких знаходяться порожнини, у них можуть знаходитись молекули інертних газів, вуглеводнів, вуглекислий газ хлор, (СН2)2О, СНCl3 і багато інших речовин. У формі гідратів такого типу перебувають у деяких місцевостях у природі поклади газу.
Вода — добрий розчинник і тому розчиняє багато полярних та іонних речовин. У більшості випадків зі зростанням температури розчинність речовин у воді зростає, але деякі речовини мають складний характер цієї залежності. Розчинність багатьох сульфатів, карбонатів і фосфатів при підвищенні температури зменшується або спочатку підвищується, а потім проходить через максимум. Розчинність малополярних речовин ( у тому числі газів, які входять до складу атмосфери) у воді низька і при підвищенні температури, зазвичай зменшується, а потім проходить через мінімум. З підвищенням тиску розчинність газів зростає, проходячи при високих тисках через максимум. Багато речовин не просто розчиняються у воді, а хімічно реагують з нею. У розчинах NH3 можуть бути молекули NH3·Н2О і незначна кількість іонів NH4+. Між розчинними у воді іонами, атомами, молекулами, які не вступають з нею у хімічні реакції, і молекули води існують іон-дипольні та міжмолекулярні взаємодії, які не руйнують їх.