Физико-химические свойства воды

Введение

Одна из острейших проблем, которая стоит сегодня перед человечеством — это дефицит чистой питьевой воды. Нехватку водных ресурсов уже сегодня ощущают на себе миллионы людей, особенно остро эта проблема стоит в некоторых странах Азии и Африки. Однако последние разработки ученых в области нанотехнологий могут помочь человечеству решить эту проблему и обеспечить миллионы людей чистой питьевой водой.

Человек потребляет огромное количество питьевой воды, причем для питья необходима именно чистая, свежая и пресная питьевая вода. Необходимо учитывать также то, что более 97% воды на земном шаре непригодна для нас. Оставшиеся проценты водных ресурсов постоянно загрязняются сельским хозяйством, промышленностью и теряются в виду неэффективного использования. В тоже самое время население планеты стремительно растет и по прогнозам экспертов, к 2030 году 3,9 миллиарда людей (47% населения) не будут иметь доступа к чистой питьевой воде. Некоторые футурологи уже сейчас предсказывают будущие войны, которые будут вестись странами за источники чистой питьевой воды.

Однако ученые в настоящий момент могут предложить «крохотное», но очень эффективное решение этой глобальной проблемы. Уже теперь разрабатываются наноматериалы, которые смогут эффективно очищать загрязненную воду от токсичных соединений металлов или ядовитых органический веществ, а самое главное смогут превращать соленую морскую воду в пресную.

Пока продуктивность работы таких систем невысока, однако технология очень молода и ученые обещают ей большое будущее. Уже сейчас есть заинтересованность подобными материалами со стороны серьезных инвесторов, которые готовы вкладывать деньги в подобные исследования. По прогнозам экспертов, нанотехнологии смогут играть серьезную роль в очистке воды уже в ближайшие 5 или 10 лет.

Однако очистка и обеззараживание пресной воды — это только одна задача, которую может помочь решить нанотехнологии. Вторая, наверное даже более важная задача, которую нужно решить, для «утоления» будущей мировой жажды — это опреснение соленой воды. Действительно подавляющая часть запасов воды на нашей планете является непригодной для пития. Ученые, которые работают в сфере нанотехнологий и здесь готовы предложить более эффективный и менее дорогой способ опреснения соленой воды.

Физико-химические свойства воды

В ХIХ веке была открыта химическая формула этого соединения Н2О, которая, как тогда казалось, дает полную информацию о воде, но в 1932 году открылся новый сенсационный факт – помимо обыкновенной воды, существует еще и понятие «тяжелая» вода, а на сегодняшний день уже известно до 135 изотопных разновидностей воды. Состав отдельно взятой капли воды, при условии полного ее очищения от примесей минеральных и органических веществ, всегда уникален, а ее свойства меняются в зависимости от физической природы составляющих ее атомов, способа формирования молекулы, и от объединения этих молекул в химическое соединение.

Одним из самых замечательных и в то же время затрудняющим изучение воды свойством, является способность воды выступать в качестве универсального растворителя. Любое вещество, будь оно в твердом, жидком или газообразном состоянии, обязательно в какой-то степени растворяется в воде, поэтому вода всегда является раствором, имеющим очень сложный химический состав. И даже когда химический состав воды, взятой в различных местах, полностью идентичен, оказывается, что вода оказывает совершенно различное влияние на организм, так как условия формирования воды также определяют ее свойства.

Следует отметить, что в природе не существует абсолютно чистой воды, а наиболее близкой к этому понятию является дождевая вода, хотя даже она в своем составе имеет некоторое количество примесей, которые попадают в нее из воздуха. А наиболее характерным растворителем является морская вода, так как она может растворить практически любое вещество, а ее состав может включать до 70 элементов периодической системы Менделеева, начиная с хлора, магния, натрия, серы, кальция и калия, брома, углерода, стронция и бора, которые содержатся в морской воде в больших количествах, и заканчивая редчайшими радиоактивными элементами в очень небольших долях.

В зависимости от содержания в воде различных примесей ее можно разделить на несколько классов: пресную воду, соленую и рассолы. От этого зависит и цвет воды. На первый взгляд, любая вода – прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая ни вкуса, ни запаха, однако глубокие воды моря или океана выглядят голубыми, а вода горных рек кажется зеленой, именно присутствие различных примесей в воде придает ей различный цвет. Казалось бы, при современном оборудовании и технологиях на сегодняшний день мы знаем о воде все, но открываются новые и новые факты, которые показывают, что вода обладает нераскрытым потенциалом, который еще только предстоит узнать человечеству.

Оказывается, что вода не только с древнейших времен служит для удовлетворения бытовых и промышленных нужд человека, но и защищает Землю летом от перегревания, а зимой, отдавая ей свое тепло, от перемерзания. Избыток углекислого газа, вырабатываемый в процессе жизнедеятельности человека, мог бы привести к катастрофическим последствиям, если бы не был поглощен водами мирового океана.

Вода обладает специфическими свойствами, которые не присущи не одному химическому соединению, так, к примеру, при переходе воды из жидкого состояния в твердое, она не увеличивает свою плотность, а увеличивает объем. Это связано с молекулярным строением льда: при замерзании молекулы располагаются на значительном расстоянии друг от друга, образуя рыхлую структуру льда, тем самым, увеличивая объем, но сохраняя массу, таким образом, вода в твердом состоянии (лед), легче, чем в жидком. Не обладай вода этим свойством, возникновение жизни на Земле не было бы возможно, так как возникший на поверхности водоема лед сразу же тонул и реки, моря и даже океаны промерзли бы до самого дна. Итак, одним из факторов, определяющих свойства воды, является ее молекулярный состав. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник в основании которого лежат атомы водорода, а вершиной является атом кислорода, валентный угол этого треугольника НОН составляет 104,31°, при этом атомы водорода настолько тесно прилегают к атому кислорода, что на первый взгляд, молекула имеет сферическую форму. Молекула воды имеет слабые водородные связи, что позволяет воде испаряться, то есть если поместить воду в открытый сосуд, то постепенно все молекулы воды переместятся в воздух. Если же сосуд закрыть, то вода будет испаряться до тех пор, пока не будет достигнуто некое равновесие, которое объясняется давлением, оказываемым молекулами водяного пара, скопившегося между крышкой сосуда и оставшейся водой. Испарение происходит даже в твердом состоянии воды, то есть с поверхности льда или снега. При этом вязкость воды напрямую зависит от ее температуры, чем выше температура, тем меньше вязкость, при достижении точки кипения воды вязкость уменьшается в 8 раз, нежели при ее точке замерзания. Воду практически невозможно сжать, а ее плотность максимальна при 4°С.

Физические характеристики воды таковы, что она переходит из твердого в жидкое состояние и наоборот (тает и замерзает) при одной и той же температуре 0°С. Температура кипения воды - 100°С, хотя и тут вода проявляет интереснейшие свойства: это правило соблюдается только при нормальном давлении, которое составляет 760 мм рт. ст., при понижении давления уменьшается и температура кипения воды, так на высоте 2900 м над уровнем моря, где атмосферное давление составляет 525 мм рт. ст., точка кипения воды составляет 90°С.

Земля на 75% покрыта водой, и природой постоянно поддерживается естественный круговорот воды: она испаряется с поверхности водоемов, а затем выпадает в виде осадков: дождя или снега, но даже при таком разумном решении, некоторые районы земного шара постоянно страдают от недостатка пресной воды. Именно поэтому стоит помнить, что вода – величайшее богатство, дарованное нам природой, и каждая ее капля – драгоценна, ведь жизнь человека невозможна без воды.

Три состояния воды жидкое, газообразное(пар) и твердое(лёд)