Агрегатные состояния воды

Министерство образования и науки Российской Федерации

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение

«Тхорёвская основная общеобразовательная школа »

Каменского муниципального района

Воронежской области

Агрегатные состояния воды

(реферат)

с.Тхорёвка, 2017г.

1. План

1. Введение.

2. Что такое вода? Физические свойства воды.

3. Основная часть: агрегатные состояния воды.

3.1.Жидкое состояние.

3.2.Твердое состояние.

3.3.Газообразное состояние.

4.Особенности фазовых переходов.

5. Разновидности воды.

1. Применение воды.

2. Заключение.

3. Список используемой литературы.

4. Приложение.

Введение

Я люблю читать книги, журналы, газеты. В одной из газет, была опубликована интересная статья о воде. Я ее прочитала, и мне хотелось расширить знания о воде, ее агрегатных состояниях, так как она необходима всем живым на Земле.

Цель настоящего реферата – знакомство с различными агрегатными состояниями воды.

Я поставила перед собой ряд задач, которых мне предстояло решить:

• найти и изучить агрегатные состояния воды;

• провести исследования с целью выяснения свойств воды;

• изучить роль воды в жизни человека и использование ее в повседневной жизни.

Вода это самое важное вещество на Земле, без которого не может существовать ни один живой организм и не могут протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические процессы.  Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она покрывает около 3/4 всеи земной поверхности, составляя основу океанов, морей, озер, рек, грунтовых вод и болот. Большое количество воды находится также в атмосфере. Растения и живые организмы содержат в своем составе 50-96 % воды. От воды зависит климат. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле.

Что такое вода?

Вода () – это окись водорода, она является наиболее важным и распространенным веществом. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного — кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью. В природе не существует чистой воды, в ней обязательно содержатся какие-либо примеси. При нормальных условиях представляет собой прозрачную жидкость, не имеет вкуса и запаха, прозрачна, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.

По массе в состав воды входит почти 89 % кислорода и 11 % водорода, вода кипит при температуре +100°С, а замерзает при 0°С. Является плохим проводником для электричества, но хороший растворитель.

Вода является растворителем необходимым для протекания биохимических реакций, она хорошо растворяет ионные и многие ковалентные соединения. Своими способностями к растворению многих веществ вода обязана полярности своих молекул (при растворении ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов).

Физические свойства воды

Под свойствами воды понимают совокупность биохимических, органолептических, физико-химических, физических, химических и других свойств вод

Аагрегатные состояния воды

Агрегатное состояние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.
Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Вода является единственным веществом на Земле, существующим в жидком, твердом и газообразном состояниях.

Твёрдое — лёд
Жидкое — вода
Газообразное — водяной пар 

Лёд – является кристаллическим состоянием воды. Этот минерал имеет химическую формулу .

Структура кристаллов льда схожа со структурой алмаза: любая молекула находится в окружении четырех ближайших к ней молекул, которые располагаются на равных 2,76 А расстояниях от нее и находящихся в углах правильного тетраэдра. Поскольку координационное число низкое, то лед имеет ажурную структуру, что сказывается на его плотности (0,917).

Вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.

Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплоты плавления железа равна 270 кДж/кг) , служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды от 0 до 80 °C.

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного) , а также в виде снега, инея и т. д. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды. Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.

А также он является бесцветным. Синеватый оттенок лед получает в немалых скоплениях. Имеет стеклянный блеск. Прозрачный. Не обладает спайностью. Твердость – 1,5. Непрочный. Показатель преломления весьма низкий (n = 1,309).

Вода - является растворителем необходимым для протекания биохимических реакций, она хорошо растворяет ионные и многие ковалентные соединения. Своими способностями к растворению многих веществ вода обязана полярности своих молекул (при растворении ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов).

По массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100° С, а замерзает при 0° С, она плохой проводник для электричества и теплоты, но хороший растворитель.

При переходе воды из твердого состояния в жидкое, её плотность не уменьшается, а возрастает, также плотность воды увеличивается при ее нагреве от 0 до +4С, и только при последующем ее нагревании плотность уменьшается.

При + 4С градусах плотность воды превышает плотность льда, благодаря чему, охлаждаясь сверху, вода опускается на дно лишь до тех пор, пока ее температура не достигнет +4С, вследствие чего лед остается на поверхности водоемов, что делает возможным жизнь под слоем льда водной флоры и фауны.

Еще одним свойством воды является то, что она обладает высокой теплоемкостью (с=4200) и является хорошим теплоносителем. Это объясняет, почему в ночное время и при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или во время перехода от зимы к лету также медленно нагревается. Благодаря этому свойству вода является регулятором температуры на Земле.

Среди всех жидкостей вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, исключение составляет только ртуть. Дистиллированная вода не проводит электрический ток, так как она слабый электролит и диссоциирует в малой степени.

Существуют разновидные воды: обычная и тяжелая.

Тяжелой водой () называется та вода, в состав которой входит изотоп водорода дейтерий. Химические реакции с такой водой протекают медленнее, чем с обычной. Используют тяжелую воду в ядерной энергетике (ядерные реакторы).

Особенностью воды является то, что ее молекулы способны при колебании температуры изменять характер связи друг с другом. Основные свойства ее при этом не меняются. Если нагревать воду, ее молекулы начинают двигаться быстрее. Те, которые соприкасаются с воздухом, разрывают свои связи и смешиваются с его молекулами.

Вода в газообразном состоянии (газ) сохраняет все свои качества, но приобретает также свойства газа. Ее частицы находятся на большом расстоянии друг от друга и интенсивно двигаются. Чаще всего такое состояние называют водяным паром. Это бесцветный прозрачный газ, который при определенных условиях опять превратится в воду. Он повсеместно распространен на Земле, но чаще всего его не видно. Примеры воды в газообразном состоянии - это облака, туман или водяной пар, образующийся при кипении жидкости. Кроме того, она везде находится в составе воздуха. Ученые заметили, что при его увлажнении дышать становится легче.

Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. 

Особенности фазовых переходов:

- При температуре в 0°C вода замерзает, то есть превращается в лёд, а кипит при температуре 100°C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает. При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает.

- При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При температуре 374°C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают.

- При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

- При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения. Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход.

В природе распространены тепловые явления: нагревание и охлаждение, испарение и конденсация, кипение, плавление и отвердевание. Тепловое расширение тел — тепловое явление, которое проявляется в природе, учитывается в быту и технике.

Выделяют следующие их разновидности: 
- из твёрдого в жидкое — плавление; 
- из жидкого в газообразное — испарение и кипение; 
- из твёрдого в газообразное — сублимация; 
- из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; 
- из жидкого в твёрдое — кристаллизация. 
  Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.
В нормальных атмосферных условиях вода закипает при температуре

+100 °С и с ростом давления эта температура растёт.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм.) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
 
Чистая вода способна как переохлаждаться, не замерзая до температуры -33°C, так и быть перегрета до +200°C. За это её свойство она получила применение в промышленности (например, в паровых турбинах).
 

Можно заставить жидкость перейти в твердое состояние, забрав у нее тепло. Для этого достаточно поместить ее в более холодную среду. При потере тепла молекулы жидкости замедляют свое движение и, в конце концов, уже не могут перемещаться, а просто колеблются вокруг фиксированных точек. С наступлением этой фазы жидкость отвердевает, т. е. превращается в твердое вещество. Например, вода замерзает при температуре 0°С. Большинство веществ кристаллизуются при переходе из жидкого состояния в твердое. Так, NaCl (поваренная соль) образует кристаллы кубической формы. Нагреваясь, твердые вещества могут снова перейти в жидкое состояние, так как при этом увеличивается скорость движения их молекул. 
  
При нагревании твердого вещества с целью превращения в жидкость его температура растет за счет поглощения тепла. Но, достигнув точки плавления, температура вещества остается постоянной, хотя процесс поглощения тепла продолжается. Тепло, используемое для превращения твердого вещества в жидкость, не увеличивается после достижения точки плавления и называется скрытой теплотой плавления. Лишь после того, как все твердое вещество перейдет в жидкое состояние, его температура вновь начинает расти.

Если продолжать нагревать жидкость, ее температура будет расти до достижения точки кипения, после чего остается неизменной, так как превращение жидкости в газ требует большого количества тепла. Тепло, используемое для перехода жидкости в газообразное состояние, называется теплотой парообразования. Как только все вещество превратится в пар, его температура будет опять расти.

При охлаждении газа его температура вначале падает. Затем, после достижения точки кипения вещества, газ отдает свою теплоту парообразования и переходит в жидкое состояние при той же температуре. Только когда весь газ превратится в жидкость, температура вещества начинает падать.

Пар снова превращается в воду при определенной потере тепла. Это явление можно наблюдать при продолжительном кипении воды в чайнике. Холодные поверхности в помещении покрываются влагой, так как часть образовавшегося пара отдает им тепло при контакте. В результате молекулы пара замедляют движение, и он превращается в воду. Говорят, что пар конденсировался в жидкое состояние, а явление называют "конденсацией". 

Мы ошибочно считаем паром белые клубы у носика чайника, но настоящий пар нельзя увидеть. Видимые клубы состоят из крошечных капелек воды, образующихся при конденсации пара, когда на выходе из чайника он сталкивается с относительно холодным окружающим воздухом.

Сублимация — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Хорошо поддается возгонке вода, что определило широкое применение данного процесса как одного из способов сушки. При промышленной возгонке сначала производят заморозку исходного тела, а затем помещают его в вакуумную или заполненную инертными газами камеру. Физически процесс возгонки продолжается до тех пор, пока концентрация водяных паров в камере не достигнет нормального для данной температуры уровня, в связи с чем избыточные водяные пары постоянно откачивают. Возгонка применяется в химической промышленности, в частности, на производствах взрывоопасных или взрывчатых веществ, получаемых осаждением из водных растворов.
 
Возгонка также используется в пищевой промышленности: так, например, фрукты после сублимирования весят в несколько раз меньше, а восстанавливаются в воде. Сублимированные продукты значительно превосходят сушеные по пищевой ценности, так как возгонке поддаётся только вода, а при термическом испарении теряются многие полезные вещества. Перед сублимацией пищевых продуктов используется быстрое замораживание (-100 до -190 град. Цельсия), что приводит к образованию мелких кристаллов, не разрушающих клеточные мембраны.

Опыты мои в школе и дома.

Опыт № 1. Вода прозрачная.
Возьмем два стаканчика: один с водой, другой с молоком. В оба стаканчика положить ложечки. В каком из стаканчиков они видны, а в каком – нет? Почему? (В воде видны).
Вывод: вода прозрачная, а молоко нет.
Опыт № 2. У воды нет запаха.
Если понюхать воду. Чем она пахнет? (Совсем не пахнет). Вода не имеет запаха, если она чистая. Вода из водопроводного крана может иметь запах (хлор), т.к. её очищают специальными веществами, чтобы она была безопасной.
Вывод: чистая вода не имеет запаха.
Опыт № 3. Вода растворитель.
В один стакан с водой положить ложечку сахара, а в другой – соль и хорошо размешать, попробовать на вкус. ( В одном стакане вода стала сладкой, а в другом стакане – солёной. Сахар и соль растворились в воде, но при этом она осталась прозрачной ).
Если в стакан с водой добавить капельку гуаши любого цвета и размешивать. Гуашь растворяется в воде, при этом меняет её цвет.
Далее в один из стаканов с водой насыпать речной песок и тщательно размешивать ложкой. (Вода слегка мутнеет, а песок оседает на дно стакана).
В стакан с водой добавить несколько капель растительного масла и снова хорошо мешать ложкой. (Масло плавает на поверхности воды в виде жёлтых капелек или растекается плёнкой).
Вывод: вода растворитель, но не все вещества в ней растворяются.
Опыт № 4. Агрегатное состояние воды.
Я кладу на блюдце кусочек льда и ставлю его на миску меньшего диаметра с горячей водой. Лёд тает, превращаясь в воду. Наблюдаю за паром, поднимающимся над горячей водой.
Вывод: лёд (снег) – твёрдое агрегатное состояние воды, в тепле превращается в жидкое состояние, если нагреть – станет паром.
Опыт № 5. Фильтрация воды.
Воду с гуашью, маслом, мутную воду я пропускаю через ватные диски. Гуашь, масло, грязь, песчинки остаются на фильтре.
Вывод: после фильтрации вода становится чистой и прозрачной.

Разновидности воды

По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
Мягкая вода и жёсткая вода — по содержанию катионов кальция и магния.
По изотопам молекулы:
- Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной воде)
- Тяжёлая вода (дейтериевая)
- Сверхтяжёлая вода (тритиевая)

По происхождению и местонахождению, применению:

Лёгкая вода — вода, обеднённая по дейтерию или по тяжёлым изотопам кислорода.

Сверхтяжёлая вода (тритиевая) — вода, в молекулах которой атомы водорода замещены атомами трития.

Талая вода — образуется при таянии льда и сохраняет при нормальных условиях температуру 0 °C, пока не растает весь лёд.

Пресная вода — противоположность морской воды, охватывает ту часть доступной воды Земли, в которой соли содержатся в минимальных количествах.

Подземные воды — воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.

Минеральные воды, питьевые минеральные воды — природные, как правило, подземные (известны также талые, воды поверхностных водоёмов (солёных – минеральных – озёр), искусственные и др.) воды, которые характеризуются наличием определённых минеральных солей, газов, органических веществ и других химических соединений, в отличие от питьевых (см.), в более высоких концентрациях минерализации (порядка 1г/л и выше) или обладающие специфическими химико–физическими и другими свойствами — температура, содержание биологически активных компонентов (CO2, H2S, As и др.), природная радиоактивность (быстро распадающиеся радиоактивные вещества — радон) — и оказывающие вследствие этого лечебное действие при внутреннем и наружном (ванны, ингаляции и проч.) применении.

Солоноватая вода — вода, содержащая больше солей чем пресная вода, но не больше чем в морской воде.

Дистиллированная вода — очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений.

Сточные воды — любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.

Мёртвая вода — вид воды, не имеющий места в реальном мире, но распространенный в сказках.

Живая вода — вода, обладающая определёнными волшебными свойствами, например, в сказках способна оживлять мёртвое тело.

Святая вода — освящённая в церкви вода.

Структурированная вода — термин, чаще всего встречающийся в текстах по нетрадиционной медицине и эзотерике, используемый для обозначения некой «воды с изменённой относительно равновесия к окружающей среде структурой».

Применение воды.

Земледелие.Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

Питьё и приготовление пищи. Живое человеческое тело содержит от 55 % до 78 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. Для нормального функционирования организма человеку нужно усвоить около 3-ех литров воды за день в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т. д.

Растворитель. Вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки, как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.

Теплоноситель. Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

Замедлитель. Во многих ядерных реакторах вода используется не только в качестве теплоносителя, но и замедлителя нейтронов для эффективного протекания цепной ядерной реакции. Также существуют тяжеловодные реакторы, в которых в качестве замедлителя используется тяжёлая вода.

Пожаротушение.. В пожаротушении вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции огня от воздуха в составе пены.

Спорт. Многие виды спорта проходят на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже в воде. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и др.

Инструмент. Вода используется как инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов. Она используется в добывающей промышленности, горном деле и в производстве. Достаточно распространены установки по резке водой различных материалов: от резины до стали. Вода, выходящая под давлением несколько тысяч атмосфер способна разрезать стальную пластину толщиной несколько миллиметров, или более при добавлении абразивных частиц.

Конец формы

Заключение.

Проделав данную работу, мной были сделаны следующие выводы:

• Вода единственное вещество в природе, которое может находиться в любом агрегатном состоянии.

• Вода прозрачная, не имеет запаха, является для многих веществ хорошим растворителем, но не для всех.

• Вода после фильтрации становится чистой и полезной для людей.

Вода – источник жизни, поэтому она играет основную роль в жизни всего живого на земле и загрязнение приводит к ухудшению состояния природы и здоровья человека. Мы должны относиться к воде бережно, экономить воду, не загрязнять реки и озёра.
Воды много на Земле, но для умывания, приготовления пищи необходима только очищенная вода. А чтобы получить чистую воду, люди затрачивают много сил. Вот поэтому воду надо беречь, плотно закрывать кран.И закончить свою работу я хочу стихотворением Н.Рыжовой:

Вы слыхали о воде?
Говорят, она везде!
В луже, в море, в океане
И в водопроводном кране,
Как сосулька замерзает.
В лес туманом заползает,
На плите у нас кипит,
Паром чайника шипит.
Без неё нам не умыться,
Не наесться, не напиться!
Смею вам я доложить:
Без неё нам не прожить!

Литература:

1. «Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия» : Л. А. Савина; М.: АСТ, 1996г.

2. «Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика» : А. А. Леонович; М.: АСТ, 2001г.

3. «Физика и Астрономия 8кл.»: А. А. Пинский, В. Г. Разумовский; М.: Просвещение, 1997г.

4. «Физика 7кл.»: А. В, Перышкин, М.: Дрофа, 2003г.

http://www.gc-bars.ru/articles/5.htm

http://inetzar.ucoz.ru/load/fizike/16

Рис.1

На рисунке представлены основные превращения воды (прямой и обратный процессы),