Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Максим а!а,х мальную плотность вода имеет при 4'С, что также необычно. В отличие х( стар п,а! от других соединений плотность воды при кристаллизации не растет, а УменьшаетсЯ. ВОДа имеет очень высо- Рис. Х!Н ! диаграмма кую диэлектрическую проницаемость. состояния воды Так, при температуре 298 К диэлекттрическая проницаемость ее равна 78,5, в то время как для НтЬ она меньше !О. Вода — хороший растворитель полярных жидкостей и соединений с ионными связями.
Вода образует кристаллогидраты со многими соединениями, например СН4 пНхО, СхНаС! ° птНаО (клатраты или соединения включения). Вода вступает в химические взаимодействия со многими веществами. При соединении воды с оксидамн образуются основания или кислоты. Активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Вода катализирует протекание многих химических реакций. Химические свойства воды в значительной степени обусловлены ее способностью к электролитической диссоциации на ионы водорода и гидроксида. Долгое время необычные свойства воды были загадкой для ученых. Выяснилось, что они в основном обусловлены тремя причинамн: полярным характером молекул, наличием неподеленных пар электронов у атомов кислорода и образованием водородных связей.
Молекула воды (рис. Х1Ч.2, а) может быть представлена в виде равнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основании — два протона (рис. Х1Н.2, б). Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, а две пары неподеленных электронов ориентированы по другую сторону кислорода.
Ллнна связи Π— Н составляет 96 нм, а угол между связями !05'. Связь Π— Н имеет полярный характер, молекула воды также полярна. Благодаря полярности вода хорошо растворяет полярные жидкости и соединения с ионными связями. Наличие неподеленных пар электро- О нов у кислорода и смещение обобществленных электронных пар от атомов водорода а а к атому кислорода обусловливают образование водо- Рис. Х!Н2. Схема строения моленулы воды 371 родных связей между кислородом и водородом (см. $ П1.!).
Хотя водородные связи слаб9е ковалентных и ионных, они значительно прочнее вандерваальсовых связей и обусловливают ассоциацию молекул воды в жидком состоянии и некоторые аномальные свойства воды, в частности высокие температуры плавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость, максимальную плотность при 4'С, а также особую структуру льда. В кристаллах льда молекула воды образует четыре водородные связи с соседними молекулами воды (за счет двух неподеленных электронных пар у кислорода и двух протонов), что обусловливает возникновение тетраэдрической кристаллической структуры льда.
Расположение молекул в таком крис-. талле отличается от плотной упаковки молекул, в решетке много свободных мест, поэтому лед имеет относительно невысокую плотность. При высоких давлениях (выше 200 МПа) обеспечивается более плотная укладка молекул воды и возникает еще несколько кристаллических модификаций льда. При плавлении происходит частичное разрушение структуры льда и сближение молекул, поэтому плотность воды возрастает.
В то же время повышение температуры усиливает движение молекул, которое снижает плотность вещества. При температуре выше 4 'С последний эффект начинает йревалировать и плотность воды понижается. В жидкой воде молекулы ассоциированы, т. е. объединены в более крупные частицы, причем устанавливается равновесие между молекулами воды, связанными в ассоциаты, и свободными молекулами воды.
Наличие ассоциатов повышает температуру кристаллизации и испарения воды и диэлектрическую проницаемость. Прн увеличении температуры растет доля свободных молекул. При испарении воды ассоциаты разрушаются и водяной пар при невысоких давлениях состоит из свободных молекул Н,О. Однако при повышении давления молекулы воды сближаются и образуют водородные связи, происходит ассоциация молекул. По мере повышения давления пар приближается по своему строению к жидкому состоянию. Это вызывает увеличение растворимости в паре соединений с ионными связями.
4 Х!У.2. ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ Состав природных вод. Человечество широко использует для своих нужд природную воду. Обшие запасы воды на Земле огромны, они составляют примерно 1/800 часть объема нашей планеты. Однако основная часть воды приходится на Мировой океан. По материалам ЮНЕСКО (!970) запасы воды распределены следующим образом ('4); океаны — 97,2; ледники и ледниковые шапки — 2,15; подземные воды — 0,625; пресные озера и реки — 9 1О ', соленые озера и внутренние моря — 8 !О ', атмосфера — !О ', реки — 10 '.
Запасы пресной воды, которую, 372 в основном, использует человечество, составляют всего 0,3 Я объема гидросферы (около 4 млн. км'). В природе идет непрерывный круговорот воды. Вода, испаряясь, поступает в атмосферу, а затем выпадает в осадки над океаном (65 — 75,4) и сушей (35 — 25 Я). Природная вода находится в непрерывном взаимодействии с окружающей средой.
Она реагирует с атмосферой, почвой, растительностью, минералами и различными породами. При этом вода растворяет органические и неорганические соединения. Состав природных вод определяется характером этого взаимодействия. Все примеси природных вод можно подразделить на три группы в зависимости от размера частиц: истинно растворенные, коллоидные и взвешенные. Истинно растворенные вещества находятся в виде ионов и молекул и имеют размеры менее 1 нм. Коллоидные частицы имеют размеры от 1 до 200 нм. Взвешенные или грубодисперсные частицы имеют размеры свыше 0,1 мкм. По химическому составу примеси подразделяются на органические и неорганические.
Первые имеют,' как правило, очень сложный состав и находятся в коллоидном илн истинно растворенном состоянии. Неорганические примеси находятся в основном в виде ионов: Маг, Саз+, Мдзэ, К+, С1, ВО~4, НСОз . В воде растворены азот, кислород, углекислый и другие газы.
В воде содержатся карбонаты. Между угольной кислотой и ее анионами устанавливается равновесие, называемое углекислотным: Н|СОз — НСОз + Н; НСО! = СО! + Н; 2НСОз;= СО! +СОз+ НзО При повышении рН равновесие сдвигается в сторону образования карбонат-ионов, которые доминируют при рН)10. При понижении рН равновесие сдвигается в сторону образования НзСОз, которая превалирует при рН(6. Вода, у которой угольная кислота, бикарбонат- и карбонат-ионы находятся в равновесии, называется стабильной водой. При сдвиге равновесия в сторону образования угольной кислоты вода становится агрессивной, при этом повышается ее коррозионная активность. При сдвиге равновесия в сторону образования карбонат-ионов из воды выпадает малорастворимый карбонат кальция.
Состав природных вод характеризуют некоторыми технологическими показателями, в том числе жесткостью, реакцией среды, щелочностью, солесодержанием, окисляемостью и др. Ж е с т к о с т ь воды отражает содержание в ней ионов кальция и магния. Она выражается в ммоль/л: Ж = ! /2зс Х [Сазь) + [Мд'+[). Различают карбонатную и некарбонатную жесткость.
Карбонатной называют жесткость, обусловленную бикарбонатами кальция и магния. Некарбонатнал жесткость представляет собой разность между общей и карбонатной жесткостью. Ш е л о ч н о с т ь воды выражается суммой концентраций ионов гидроксида и анионов слабых кислот НСОз, СОз При 373 гидролизе анионов слабых кислот образуются гидроксид-ионы, например СО1 + Н20 = НСОЗ + ОН Щелочность воды, используемой в парогенераторах, должна находиться в определенных пределах. Наличие в воде гидроксид. ионов обеспечивает пассивацию сплавов металлов, применяемых в парогенераторах. В то же время при очень большой шелочности, высоких температурах и механических напряжениях возникает особый вид коррозии металла парогенепаторов.
Вода характеризуется с о л е с о д е р ж а н и е м, которое равно общей концентрации солей. Состав природных вод зависит от их вида и расположения водоема или источника воды. Воды рек имеют обычно невысокое солесодержание: 0,5 — 0,6 г/л. Более высоким солесодержанием обладают подземные воды. Содержание солей в водах океанов и открытых морей примерно одинаково и составляет 35 г/л, причем основными ионами являются 1х1а+ и С! . Солесодержаиие внутренних морей ниже, чем океанов. Например, солесодержание Каспийского моря 3 — !3 г/л, а Черного моря 17 — 18 г/л.
О к и с л я е м о с т ь отражает содержание примесей, способных взаимодействовать с окислителями. Окисляемость обычно опредеЛяют по расходу перманганата, пошедшего на окисление примесей воды, и пересчитывают на эквивалентное количество кислорода. Природные воды имеют примеси различной химической природы и свойств.
Многие из этих примесей при определенных концентрациях могут быть вредными для тех или иных процессов на тепловых и атомных электростанциях. Например, соли жесткости осаждаются на стенах парогенераторов, снижая эффективность работы последних. Хлориды натрия и некоторые другие примеси переходят в пар и затем, осаждаясь иа лопатках турбин, изменяют их профиль и соответственно снижают КПД станций. Растворенный в воде кислород и диоксид углерода вызывают коррозию материалов парогенераторов.
Поэтому перед подачей в парогенератор вода очищается от значительной части примесей. т х~чз. основныв мвтоды очистки воды Выбор метода удаления примесей из воды определяется характером и свойствами примесей.Так, взвешенные примеси проще всего вывести из воды фильтрованием, коллоидные примеси — коагуляцией. Если ионные примеси могут образовать малорастворимое соединение, то их можно перевести в это соединение, примеси-окислители можно устранить восстановлением, а примеси-восстановители — окислением. Для удаления примесей широко используется адсорбция, причем незаряженные примеси адсорбируются на активированном угле нли других 374 адсорбентах, а ионы — на ионообменных веществах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
