Принцип неопределенности Гайзенберга

Основные законы химии.

2 Закон Авогадро:

«в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул»(Амедео Авогадро )

Следствия закона:

Первое следствие: один моль любого газа при одинаковых условиях занимает одинаковый объём.

В частности, при нормальных условиях, т. е. при 0°C (273К) и 101,3 кПа, объём 1 моля газа, равен 22,4 л. Этот объём называют молярным объёмом газа Vm.

Моль — количество вещества численно равное молекулярной массе, выраженное в граммах.

 

 

Втрое следствие: моль любого вещества содержит Nа = 6,02·1023моль?1

 

 

 

Закон эквивалентов:

«все вещества реагируют друг с другом в строго определенных весовых соотношениях, пропорциональных их эквивалентам»

Эквивалент вещества — такое его количество, которое вытесняет или замещает 1 весовую часть водорода или 8 весовых частей кислорода

 

 

Сложные вещества:

1оксиды

 

 

2 кислоты

Основность — число атомов водорода в молекуле кислоты способных замещаться на Me

 

 

3основания

 

 

4соли

 

Газовые законы:

Изотермический процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянной температуре: Τ = const.

Закон изотермического процесса(Бойля-Мариотта): для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная:

p? V = const или для двух состояний p1?V1=p2?V2.

Изобарный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном давлении: p = const.

Закон изобарного процесса: при данной массе газа при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре есть величина постоянная:

VT =const, или V1T1=V2T2.

Изохорный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном объеме: V = const.

Закон изохорного процесса: при данной массе газа при постоянном объеме отношение давления к абсолютной температуре есть величина постоянная:

pT =const, или p1T1=p2T2.

2 Двойственная природа электронов

Двойственность свойств электрона проявляется в том, что он, с одной стороны, обладает свойствами частицы (имеет определенную массу покоя), а с другой - его движение напоминает волну и может быть описано определенной амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и др. Поэтому нельзя говорить о какой-либо определенной траектории движения электрона - можно лишь судить о той или иной степени вероятности его нахождения в данной точке пространства.

Уравнение Луи де Бройля

Бройль предположил, что корпускулярно-волновая двойственность присуща как фотонам, так и электронам, поэтому электрон должен проявлять волновые свойства, и для него, как и для фотона, должно выполняться уравнение:

 

Волновая функция

— величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (например, электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы (например, кристалла).Связывает энергию электрона с пространственными координатами.

 

4 Квантовые числа

— численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы.

Некоторые квантовые числа связаны с движением в пространстве и характеризуют вид волновой функции частицы. Это, например, радиальное (главное) (), орбитальное () имагнитное () квантовые числа электрона в атоме, которые определяются как число узлов радиальной волновой функции, значение орбитального углового момента и его проекция на заданную ось, соответственно.

 

5 Строение электронных оболочек многоэлектронных атомов

Самой низкой энергией обладают электроны s-орбитали, составляющие первый электронный слой. Энергия электронов второго слоя намного больше энергии электронов первого; между энергиями 2s- и 2p-электронов, составляющих второй электронный слой, есть небольшое различие. Энергетические уровни всех орбиталей третьего электронного уровня ещё выше. Однако при переходе к четвёртому электронному слою и далее это правило нарушается: отдельные орбитали следующего слоя обладают меньшей энергией, чем наиболее высокие орбитали предыдущего слоя. Например, 4s-орбиталь имеет меньшую энергию, чем 3d-орбиталь предыдущего слоя. В общем случае энергия электронов (n–1)d-орбитали всегда больше энергии электронов ns-орбитали и меньше энергии электронов np-орбитали. Энергия 4f-электронов оказывается выше энергии 5s-, 5p- и 6s-электронов.
При заполнении электронных слоёв атома в стационарном (невозбуждённом) состоянии выдерживается принцип наименьшей энергии электрона, в соответствии с которым
наиболее устойчивому состоянию электрона в атоме отвечает минимальная из возможных энергия этого электрона.
Поэтому заполнение электронных слоёв начинается с уровней, характеризующихся самой низкой энергией.Энергия электрона возрастает по мере увеличения суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l). В соответствии с правилом Клечковского заполнение электронных слоёв происходит в порядке увеличения сумм главного и орбитального квантовых чисел (n + l).

 

6 Потенциал ионизации

Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в вольтах.

Сродство к электрону

Атомы могут не только отдавать, но и присоединять электроны. Энергия, выделяющаяся при соединении электрона к свободному атому, называется сродством к электрону. Выражается в электронвольтах.

Атомные радиусы

— характеристики, позволяющие приближённо оценивать межатомные (межъядерные) расстояния в молекулах и кристаллах. Атомные радиусы имеют порядок 0,1 нм. Определяются главным образом из данных рентгеновского структурного анализа.

 

Водородная связь

lформа ассоциациимежду электроотрицательныматомом и атомом водорода H, связанным ковалентнос другим электроотрицательныматомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, Oили F. Водородные связи могут быть межмолекулярнымиили внутримолекулярными.

11 Первое начало термодинамики

— один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работутолько за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Закон Гесса

— математическое следствие первого начала термодинамики, которое формулируется следующим образом:

·"тепловой эффект химической реакции, проводимой в изобарно-изотермических или изохорно-изотермических условиях, зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания."

12 Второе начало термодинамики

lфизический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Энтропия

lмера порядка и беспорядка в системе.

lфункция, устанавливающая связь между макро- и микро- состояниями

l S=klgW, к - коэффициент пропорциональности.

lНаименьшую энтропию имеют идеально правильно построенные кристаллы при абсолютном нуле. С повышением температуры энтропия возрастает, т.к. возрастает интенсивность движения частиц, растет число способов их расположения. Изменяется энтропия при протекании химических процессов. Увеличение числа газовых молекул приводит к возрастанию энтропии, уменьшение – ее понижению.

Свободная энергия Гиббса

lэто величина, показывающая изменение энергии в ходе химической реакции и дающая таким образом ответ на вопрос о принципиальной возможности протекания химической реакции; энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т. д.)

Самопроизвольное протекание изобарно-изотермического процесса определяется двумя факторами: энтальпийным, связанным с уменьшением энтальпии системы (ΔH), и энтропийным T ΔS, обусловленным увеличением беспорядка в системе вследствие роста ее энтропии. Разность этих термодинамических факторов является функцией состояния системы, называемой изобарно-изотермическим потенциалом или свободной энергией Гиббса (G, кДж):

 

13 Скорость химической реакции в гомогенных и гетерогенных системах

Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ.

Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной — система, состоящая из нескольких фаз.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге), хотя бы смесь азота с кислородом.

В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы.

Факторы, влияющие на скорость реакции:

1природа вещества (изменить нельзя)

2концентрация вещества (выражается законом действия масс: скорость реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в степенях равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.)

 

 

1давление (изменение давления вызывает пропорциональное изменение концентрации газообразных веществ => выражается законом действия масс.

 

 

1Температура (выражается правилом Ванг-Гоффа:: при увеличении температуры на 10`, скорость реакции увеличивается в 2-4 раза)

 

 

1присутствие катализатора

Катализ — процесс, протекающий в присутствии катализатора, то есть вещества, непринимаюещего участия в химическом преобразовании, но влияющим на ее скорость

 

14 Закон действия масс

15 Скорость химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ

16V = k[A][B]

k – константа скорости данной реакции = коэффициент пропорциональности

Константа скорости реакции зависит от температуры, от природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентрации.

Константа равновесия

lвеличина, определяющая для данной химической реакциисоотношение между термодинамическими активностями исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия. Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции.

Принцип Ле-Шателье

lесли на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия(кислотный дождь)

 

Двойной электрический слой

18 — это два расположенных близко друг к другу слоя электрических зарядов разного знака, но с одинаковой поверхностной плотностью, возникающие на межфазовой поверхности. Появление этого слоя, как и явления адсорбции, обусловлено избытком поверхностной энергии.

Электродный потенциал

— мера индивидуального потенциала обратимого электрода (в равновесии) в стандартном состоянии, которое осуществляется в растворах при эффективной концентрации в 1 моль/кг и в газах при давлении в 1 атмосферу или 100 кПа (килопаскалей). Объёмы чаще всего взяты при 25°C.

Гальванический элемент

lхимический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

lустройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита.

Типы электродов

Электрод — часть электрохимической системы, включающая в себя проводник (металлический или полупроводниковый) и окружающий его раствор

Типы:

1Водородный электрод

2Хлорсеребряный электрод

3Электрод сравнения

4Стеклянный электрод

5Каломельный

 

Электроды сравнения

— электрохимические системы, предназначенные для измерения электродных потенциалов. Необходимость их использования обусловлена невозможностью измерения величины потенциала отдельного электрода. Применяется, в частности, в составе электролитических ячеек. В качестве электрода сравнения может служить любой электрод в термодинамически равновесном состоянии, удовлетворяющий требованиям воспроизводимости, постоянства во времени всех характеристик и относительной простоты изготовления.

Ряд напряжений металлов

— последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод. Поэтому в ряд напряжений включают и водород, электродный потенциал которого принимается равным нулю.

Концентрационный элемент

— это гальванический элемент, состоящий из двух одинаковых металлических электродов, опущенных в растворы соли этого металла с различными концентрациями С1 > С2. Катодом в этом гальваническом элементе является электрод погруженный в раствор с большей концентрацией, а анодом соответственно погруженным в раствор с меньшей концентрацией

20 Электролиз

— совокупность процессов, происходящих при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита.

При прохождении тока через расплав MgCl2катионы магния под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду. Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются

 

Анионы хлора перемещаются к положительному электроду и, отдавая избыточные электроны, окисляются. При этом первичным процессом является собственно электрохимическая стадия — окисление ионов хлора

 

а вторичным — связывание образующихся атомов хлора в молекулы:

 

Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава MgCl2:

 

 

Законы Фарадея

1. Масса образующегося при электролизе вещества пропорциональна количеству прошедшего через раствор электричества.

Этот закон вытекает из сущности электролиза. Как уже говорилось, в месте соприкосновения металла с раствором происходит электрохимический процесс—взаимодействие ионов или молекул электролита с электронами металла, так что электролитическое образование вещества является результатом этого процесса. Ясно, что количество вещества, получающегося у электрода, всегда будет пропорционально числу прошедших по цепи электронов, т. е. количеству электричества.

2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств веществ.

Второй закон электролиза дает прямой метод определения эквивалентов различных элементов. На этом же законе основаны расчеты, связанные с электрохимическими производствами.

Выход по току

Выходом по току в гальванотехнике называют выраженное в процентах отношение количества фактически пропущенного через электролит заряда (Qf) к теоретически необходимому (Qt) для осуществления фактически наблюдаемого массопереноса (mf).

 

Иногда выход по току рассчитывается как отношение массы при фактическом массопереносе mf к теоретическому массопереносу mt, рассчитанному по закону Фарадея:

Для случая осаждения массы на электроде выход по току оказывается всегда выше 1. Для случая растворения материала электрода выход по току оказывается всегда ниже 1.

21 Коррозия металлов

— самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды

Для предупреждения коррозии и защиты от нее применяются разнообразные методы. К важнейшим из них относятся следующие:

1) применение химически стойких сплавов;

2) защита поверхности металла покрытиями;

3) обработка коррозионной среды;

4 электрохимические методы.

5 Растворы

Раствор - твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Наиболее важный вид растворов — жидкие растворы.

Растворимость

- способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе. Часто растворимость выражают также числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы растворителя; иногда выраженную этим способом растворимость называют коэффициентом растворимости.

Законы Рауля

1Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества.

(p0-p)/p0 = n/n+N

n = mвещества/Mвещества

N = mрастворителя/Mрастворителя

2Понижение температуры кристаллизации бесконечно разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора.

 

Осмотическое давление

- явление односторонней диффузии молекул растворителя через полупроницаемую мембрану; зависит от молекулярной концентрации растворителя и температуры, эта зависимость выражается уравнением Вант-Гоффа:

Росм = СмRT

Правило Вант-Гоффа:

"При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два— четыре раза."
26. Электролитическая диссоциация

— процесс распада электролитана ионыпри его растворении или плавлении.

Константа диссоциации

— вид константы равновесия, которая показывает склонность большого объекта диссоциировать(разделяться) обратимым образом на маленькие объекты, как например когда комплексраспадается на составляющие молекулы, или когда сольразделяется в водном растворе на ионы. Константа диссоциации обычно обозначается и обратнаконстанте ассоциации. В случае с солями, константу диссоциации иногда называют константой ионизации.

Степень диссоциации

— отношение числа его молекул, распавшихся в данном растворе на ионы, к общему числу его молекул в растворе.

"Степень диссоциации это есть отношения числа продиссоциируемых молекул к общему числу молекул и умноженному на 100%":

 

27 Диссоциация воды

- разложение воды на составляющие химические элементы, иногда происходящая с созданием новых элементов, изначально в разлагаемом растворе не содержащихся, или содержащихся до начала разложения в меньшем количестве, чем после завершения процесса диссоциации.

Диссоциация воды является эндотермической реакцией, т.е. идущей с поглощением теплоты из окружающей среды.

Водородный показатель

— мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр:

Гидролиз солей

— разновидность реакций гидролиза, обусловленного протеканием реакций ионного обмена в растворах (преимущественно, водных) растворимых солей-электролитов. Движущей силой процесса является взаимодействие ионов с водой, приводящее к образованию слабого электролита в ионном или (реже) молекулярном виде («связывание ионов»).

Различают обратимый и необратимый гидролиз солей:

·1. Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания (гидролиз по аниону):

 

(раствор имеет слабощелочную среду, реакция протекает обратимо, гидролиз по второй ступени протекает в ничтожной степени)

·2. Гидролиз соли сильной кислоты и слабого основания (гидролиз по катиону):

 

(раствор имеет слабокислую среду, реакция протекает обратимо, гидролиз по второй ступени протекает в ничтожной степени)

·3. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания:

 

(равновесие смещено в сторону продуктов, гидролиз протекает практически полностью, так как оба продукта реакции уходят из зоны реакции в виде осадка или газа).

Степень гидролиза

- отношение части соли, подвергающейся гидролизу, к общей концентрации её ионов в растворе. Обозначается α (или hгидр); степень гидролиза соли тем выше, чем слабее кислота или основание, её образующие.

Константа гидролиза

— константа равновесия гидролитической реакции. Так константа гидролиза соли равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов реакции гидролиза к равновесной концентрации соли с учетом стехиометрических коэффициентов.

 

Вода в природе

Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти ѕповерхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1 % (масс.). Морская вода содержит 3,5 % (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, углй, обожженной глины и т. п. Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем.

 

30 Физические свойства воды

-запах (если в воде присутствует запах, это говорит о том, что в воде присутствует наличие газов биохимического происхождения, а также может являться признаком того, что в воде находятся гниющие органические вещества)

-цвет (зависит от ее химического состава, а также от механических примесей, которые находятся в воде)

-прозрачность (зависит от количества растворенных в воде минеральных веществ, коллоидов, органических веществ, а также содержания механических примесей)

-вкус (зависит от состава растворенных в воде веществ)

-плотность (зависит от температуры, газов, растворенных в ней солей, а также от взвешенных частиц)

-температура (зависит от геотермических особенностей района. Температура является отражателем тектонических, возрастных, гидродинамических, а также литологических особенностей водовмещающих толщ. Температура воды оказывает непосредственное влияние на вязкость, коэффициент фильтрации, а также на химический состав.)

-электропроводность (зависит от количества растворенных в воде солей)

-радиоактивность (зависит от содержания в воде радона)

Изотопный состав воды

— процент содержание молекул с различной изотопной массой (изотопологов) в воде.

Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): - 1Н216О — 99,13;

-1Н218О — 0,2;

-1Н2170-0,04;

-остальные разновидности присутствуют в воде в ничтожных количествах.

Строение молекулы воды

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине —ядро атома кислорода.

 

Аномалии физических свойств воды и их объяснение

Аномалия плотности.

1 После таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при 4 ` С и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.(объясняется тем, что сетка водородных связей льда сильно искажается после плавления: в водной сетке углы между связями отклоняются от оптимальных тетраэдрических, в результате чего уменьшается объем пустого пространства между молекулами воды.)

2 Плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине. (Чем ниже температура, тем ажурнее становится сетка, обусловливая уменьшение плотности при понижении температуры ниже 4 С.)

Переохлажденная вода.

В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0`С. Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).

Аномалия сжимаемости

Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления. Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45`С.(Общая причина такого аномального поведения заключается в том, что при низких температурах сетка водородных связей воды еще не очень искажена по сравнению с тетраэдрической конфигурацией, и при изменении температуры имеет первостепенное значение перестройка структуры этой сетки, которая и определяет аномальный вклад в поведение наблюдаемого нами свойства воды. При высоких температурах, когда водная сетка сильно деформирована, ее перестройка оказывает меньшее влияние на наблюдаемое свойство и вода ведет себя, как и все обычные жидкости.)

Поверхностное натяжение

Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно - ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20o С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка).

Аномалия теплоемкости.

Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости? Чтобы уяснить его физическую сущность, рассмотрим еще одну, на мой взгляд, самую сильную аномалию воды - температурное поведение ее теплоемкости. Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно - никак не более 10%. Другое дело - вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль " град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул.

 

Жесткость воды

— совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом,кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Виды жесткости:

1. Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

2. Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

3. Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Методы устранения жесткости воды

1 Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи

2 Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок.

3 Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода.

4 Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9%. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды.

5 Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

6Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией.

 

Метод ионного обмена

- один из эффективных методов удаления из воды анионов и катионов. Это одна из важнейших стадий очистки, используемая как этап предварительной очистки, так и для получения воды очищенной.

Ионный обмен основан на использовании ионитов – сетчатых полимеров разной степени сшивки, гелевой микро- или макропористой структуры, ковалентно связанных с ионогенными группами

Опреснение воды

- В настоящее время обратный осмос начали применять как одни из наиболее экономичных способов опреснения воды. Солевой раствор (например, морскую воду) отделяют полупроницаемой мембраной от пресной воды и подвергают давлению белее высокому, чем осмотическое давление раствора. В результате часть содержащейся в растворе воды «вытесняется» в фазу пресной воды, а концентрация солей в оставшемся растворе повышается. Концентрированный солевой раствор периодически заменяют свежими порциями подлежащей опреснению воды.

-воду пр