Фізичні та хімічні властивості води

Унікальність такої рідини як вода полягає в тому, що вона може існувати на нашій планеті у всіх трьох агрегатних станах. Найбільш поширена форма - рідка, зустрічається також газоподібна і тверда (лід, сніг). Усі мають хімічну формулу

З таблиці видно, що щільність рідини зі збільшенням температури до 40°С зростає. За подальшого збільшення температури відзначається зменшення щільності. Отже, при 40 °C досягається максимальне значення щільності води. Примітно, що щільність рідкої води при цій температурі більша за щільність твердого льоду. Більшість речовин спостерігається зворотна залежність: у твердому агрегатному стані щільність вище, ніж у рідкому.

Особливості зміни щільності пояснюють такі явища, як:

• збільшення об'єму води при її заморожуванні;
• зниження щільності при переході у тверду фазу (саме тому лід плаває на поверхні водойми);
• незначний коефіцієнт стиснення (розширення) тощо.

Така особливість, як максимальна щільність за температури +4оС, важлива існування біологічних організмів. Так, у нижній частині ставків, що замерзають зверху донизу, зберігають свою життєздатність його мешканці.

Що таке вода - загальне визначення

Вода - неорганічна сполука, склад описується формулою, отже, в молекулі води міститься два атоми водню і один - кисню. З'єднані вони ковалентним зв'язком, який утворений шляхом перекривання пари валентних електронних хмар. Чиста речовина не має кольору, запаху, смаку.

У природі вода завжди містить розчинені у ній речовини. Будучи сильнополярним розчинником, вона тією чи іншою мірою розчиняє всі речовини, з якими контактує.В результаті такі характеристики води як щільність, електропровідність та ін змінюються через присутність домішок.

Для життя всієї планети важливий кругообіг речовин у природі, найважливішим з яких є кругообіг води. Випаровуючись з поверхні природних водойм, її пари піднімаються вгору і формують хмари. Надалі, випадаючи у вигляді опадів, на землю разом із водою повертається маса хімічних речовин, які у ній розчинені. Кругообіг води впливає також на формування клімату та погоди.

Земля на планеті порядку води. Покриваючи понад 70% поверхні землі, водоймища становлять Світовий океан. Здебільшого це солона вода, непридатна для вживання людиною та вирощування сільськогосподарських структур. Перед прісної води припадає лише 1,81%, більшість її укладено в льодовиках, і підземних запасах (0,63%). Вкрай незначна частина вологи присутня в атмосфері (0,001%).

Без води неможливе існування живих організмів, оскільки вона присутня в їх тканинах та системах. Людина, здатна обходитися без продуктів харчування близько 50-70 діб, не зможе жити без води понад 3-5 днів. На практиці цей період може бути значно меншим.

Фізичні та хімічні властивості

Фізичні властивості води визначаються особливостями її будови (молекулярні кристалічні грати) і здатністю переходити з одного агрегатного стану в інший у порівняно невеликому інтервалі температур. За звичайних умов вода – рідина з певним ступенем прозорості. За хімічною природою вона є оксидом водню. Її полярна молекула має високий дипольний момент 1,84 Д, що пояснюється великою різницею електронегативності атомів кисню та водню.

Для промислових процесів, а також для використання в побуті, важливим є такий параметр речовини, як питома теплоємність. має дуже високе значення цієї характеристики, як у рідкому, так і твердому станах.

Питома теплота плавлення льоду дорівнює 333,25 кДж/кг(0оС), а пароутворення - 2250 кДж/кг.

Вода є відмінним розчинником, що характеризується високим поверхневим натягом.

У хімічних реакція вода утворюється, наприклад, при нейтралізації кислот лугами:

Крім того, може бути отримана при реакції оксидів металів з воднем:

Це рівняння реакції електролізу, під час якого під впливом електричного струму вода розпадається на молекулярний кисень і водень.

Крім високої високої розчинної здатності, вода є амфолітом - електролітом, що володіє одночасно і кислотними та основними властивостями:

На відміну від інших галогенів, фтор окислює воду до кисню:

Відповідно до таблиці зі збільшенням солоності кожні 2 проміле, температура замерзання води знижується на 0,1 оС. Так, для замерзання води в океані (солона 35 проміле) необхідна температура близько -2оС.

Аналізуючи таблицю, можна дійти невтішного висновку, що солоність Азовського моря, рівна 12 проміле, забезпечує зниження температури його замерзання до -0,6 оС. Води Білого моря (його відкритої частини), маючи солоність 25 проміле, замерзнуть при температурі -1,4 оС.

Застосування та значення води

Завдяки особливим властивостям води Землі існує життя.Те, що вона, маючи температуру, прийнятну для земних організмів, залишається у рідкому стані, забезпечило сучасний стан земної поверхні, сприяло зародженню всіх форм життя.

Вода - ідеальний розчинник, в якому в розчиненому стані можуть бути органічні та неорганічні речовини. Саме цей факт забезпечує перебіг біохімічних процесів на клітинному рівні. Людське тіло, як і тіло тварини, більше, ніж наполовину складається із води. Без її надходження до організму звичайна людина може прожити не більше 3-5 днів.

При протіканні хімічних реакцій вода часто виступає як каталізатора чи розчинника. Її роль в акумуляторних електролітах, лікарських формах, напоях, буферних розчинах величезна. З природних розчинів методом випарювання одержують чисті хімічні речовини. Однак і в природному стані їх застосовують у ході фізіотерапевтичних процедур, при водолікуванні, бальнеолікуванні тощо. Проведення таких процедур дозволяє прискорити одужання хворих.

Говорячи про роль води в природі, не можна не згадати про її вплив на формування клімату. Будучи речовиною з високою теплоємністю, вона у складі океанів поглинає тепло, яке надалі віддає назад, в атмосферу, що робить клімат на планеті м'якшим. Важливу роль відіграють холодні та теплі течії, наприклад, Гольфстрім. Через нього клімат в Англії, Мурманську тепліший і м'якший, ніж на континентальній частині.

Воду у вигляді пари містить атмосфера. Саме ця волога здатна затримувати тепло, яке випромінює Земля.Вчені вважають, що завдяки такому ефекту (парниковий ефект) наша планета зберігає практично постійну температуру і зберігає життя у всіх формах її сьогоднішнього прояву.

Потрібна допомога?

Щільність води

Вода (H₂O) — це бінарна неорганічна сполука двох атомів водню та одного атома кисню. Щільність води (р) – це відношення її маси (m) до об'єму (V). Розрахувати можна за формулою:

Щільність залежить від температури та складу води! Наприклад, при 4°С щільність прісної води становить 1000 кг/м 3 морської - 1010 ... 1030 кг/м 3 .

Таблиця щільності води за різних температур

Щільність водяної пари (100 градусів за Цельсієм) - 0,590 кг/м 3 .

Одиниці виміру

Значення вказується в залежності від системи вимірювання, наприклад: кг/м 3 г/см 3 г/мл фунт/фут 3 .

Для розрахунку щільності води застосовують просте зважування судини:

• Зважте порожній мірний циліндр (ємність із насічками-покажчиками об'єму).
• Наповніть циліндр рідиною.
• Зважте наповнену ємність.
• Розрахуйте масу води як різницю між масою тари та ємністю з рідиною.
• Обчисліть густину як відношення маси до обсягу.

Фізичні властивості

Середня густина поверхневих вод Світового океану (з морями) 1,02474 г/см 3 .

Наведено такі параметри при атмосферному тиску:

• тиск насиченої пари за вказаної темп. p, Па;
• щільність води ρ, кг/м3;
• питома ентальпія води h, кДж/кг;
• питома (масова) теплоємність C_p, кДж / (кг · град);
• теплопровідність λ, Вт / (м · град);
• температуропровідність a, м2/с;
• динамічна в'язкість μ, Па · с;
• в'язкість кінематична ν, м2/с;
• коефіцієнт теплового об'ємного розширення β, К-1;
• коефіцієнт поверхневого натягу σ, Н/м;
• число Прандтля Pr.

Молярна маса - 18,01528 г/моль. Температура кипіння води становить 100 °C або 212 °F.

Щільність води, теплопровідність та фізичні властивості H2O

Розглянуто фізичні властивості води: густина води, теплопровідність, питома теплоємність, в'язкість, число Прандтля та інші. Властивості представлені за різних температур як таблиць.

Щільність води в залежності від температури

Вважають, що щільність води дорівнює 1000 кг/м 3 , 1000 г/л або 1 г/мл, але чи часто ми замислюємося за якої температури отримані ці дані?

Максимальна щільність води досягається за температури 3,8…4,2°С. У цих умовах точне значення густини води становить 999,972 кг/м 3 . Така температурна залежність щільності характерна лише води. Інші поширені рідини немає максимуму щільності цієї кривої — їх щільність поступово знижується зі зростанням температури.

Вода існує як окрема рідина в діапазоні температури від 0 до максимальної 374,12 ° С - це її критична температура, при якій зникає межа розділу між рідиною і водяною парою. Значення густини води при цих температурах можна дізнатися в таблиці нижче. Дані про щільність води представлені розмірності кг/м 3 і г/мл.

У таблиці наведено значення щільності води в кг/м 3 та в г/мл (г/см 3 ), Допускається інтерполяція даних.Наприклад, густина води при температурі 25°С можна визначити, як середнє значення від величин її густини при 24 і 26°С. Таким чином, при температурі 25°С вода має густину 997,1 кг/м 3 або 0,9971 г/мл.

Значення в таблиці відносяться до прісної чи дистильованої води. Якщо розглядати, наприклад, морську або солону воду, її щільність буде вище — щільність морської води дорівнює 1030 кг/м 3 . Щільність солоної води та водних розчинів солей можна дізнатися у цій таблиці.

Слід зазначити, що зі збільшенням температури води (вище 4°С) її щільність зменшується. Наприклад, за даними таблиці, густина води при температурі 20°С дорівнює 998,2 кг/м 3 а при її нагріванні до 90°С, величина щільності знижується до значення 965,3 кг/м 3 . Питома маса води за нормальних умов значно відрізняється від її щільності за високих температур. Середня щільність води, що знаходиться при температурі 200...370°С, набагато менше її щільності у звичайному температурному діапазоні від 0 до 100°С.

Зміна агрегатного стану води призводить до суттєвої зміни її густини. Так, величина щільності льоду при 0°С має значення 916...920 кг/м 3 а щільність водяної пари становить величину в соті частки кілограма на кубічний метр. Слід зазначити, що значення густини води майже в 1000 разів більше густини повітря за нормальних умов.

Крім того, ви можете ознайомитися з таблицею щільності речовин і матеріалів.

Фізичні властивості води за температури від 0 до 100°С

У таблиці представлені такі фізичні властивості води: щільність води ρ, питома ентальпія h, питома теплоємність C_p, теплопровідність води λ, температуропровідність води а, динамічна в'язкість μ, в'язкість кінематична ν, коефіцієнт об'ємного теплового розширення β, коефіцієнт поверхневого натягу σ, число Прандтля Pr. Фізичні властивості води наведені в таблиці при нормальному тиску в атмосферному в інтервалі від 0 до 100°С.

Фізичні властивості води суттєво залежать від її температури. Найбільш сильно ця залежність виражена у таких властивостей, як питома ентальпія та динамічна в'язкість. При нагріванні значення ентальпії води значно збільшується, а в'язкість суттєво знижується. Інші фізичні властивості води, наприклад коефіцієнт поверхневого натягу, число Прандтля і щільність зменшуються при зростанні її температури. Наприклад, щільність води за нормальних умов (20°С) має значення 998,2 кг/м 3 а при температурі кипіння знижується до 958,4 кг/м 3 .

Така властивість води, як теплопровідність (або правильніше коефіцієнт теплопровідності) при нагріванні має тенденцію до збільшення. Теплопровідність води за температури кипіння 100°С досягає значення 0,683 Вт/(м·град). Температуропровідність H₂O також збільшується у разі зростання її температури.

Слід зазначити нелінійну поведінку кривої залежності питомої теплоємності цієї рідини від температури. Її значення знижується в інтервалі від 0 до 40°С, потім поступове зростання теплоємності до величини 4220 Дж/(кг·град) при 100°С.

Примітка: Температуропровідність в таблиці дана в ступені 10 8 в'язкість в ступені 10 6 і т. д. для інших властивостей. Розмірність фізичних властивостей води виражена одиницях СІ.

Теплофізичні властивості води на лінії насичення (100 ... 370 ° С)

У таблиці представлені теплофізичні властивості води H₂O лінії насичення залежно від температури (в діапазоні від 100 до 370°С). Кожному значенню температури, коли вода перебуває у стані насичення, відповідає тиск її насиченої пари. При цих параметрах рідина та її пара перебувають у стані насичення або термодинамічної рівноваги.

У таблиці наведено наступні теплофізичні властивості води в стані насиченої рідини:

• тиск насиченої пари за вказаної температури p, Па;
• щільність води ρ, кг/м3;
• питома ентальпія води h, кДж/кг;
• питома (масова) теплоємність C_p, кДж / (кг · град);
• теплопровідність λ, Вт / (м · град);
• температуропровідність a, м2/с;
• динамічна в'язкість μ, Па · с;
• в'язкість кінематична ν, м2/с;
• коефіцієнт теплового об'ємного розширення β, К-1;
• коефіцієнт поверхневого натягу σ, Н/м;
• число Прандтля Pr.

Властивості води лінії насичення мають залежність від температури. Її вплив особливо позначається на в'язкості води - динамічна в'язкість H₂O у разі підвищення температури значно знижується. Якщо при температурі 100°С значення цієї властивості води в стані насичення дорівнює 282,5·10 -6 Па·с, то при температурі, що дорівнює, наприклад 370°С, динамічна в'язкість знижується до величини 56,9·10 -6 Па В· с.

Інші властивості води такі як щільність, теплопровідність, питома теплоємність, температуропровідність при зростанні її температури мають тенденцію до зниження своїх значень. Наприклад, густина води зменшується з 958,4 до 450,5 кг/м 3 при нагріванні зі 100 до 370°С.

Теплопровідність води в стані насичення при збільшенні температури також знижується (на відміну від нормальних умов та температури до 100°С, при яких має місце її зростання в процесі нагрівання). Зниження теплопровідності пов'язане зі збільшенням температури, так і тиску насиченої рідини.

Слід зазначити, що питома ентальпія води в залежності від температури значно збільшується при нагріванні як до температури кипіння, так і вище.

Теплопровідність води в залежності від температури при атмосферному тиску

У таблиці подано значення теплопровідності води в рідкому стані при нормальному атмосферному тиску. Теплопровідність води вказана в залежності від температури в інтервалі від 0°С до 100°С.

Вода при нагріванні стає теплопровіднішою — її коефіцієнт теплопровідності збільшується. Наприклад, при 10°С вода має теплопровідність 0,574 Вт/(м·град)а при зростанні температури до 95°С величина теплопровідності води збільшується до значення 0,682 Вт/(м·град).

Теплопровідність води в залежності від температури та тиску

У таблиці наведено значення теплопровідності води та водяної пари при температурах від 0 до 700°З тиску від 1 до 500 атм.

Як відомо, вода при атмосферному тиску закипає та переходить у пару при температурі 100°С. Коефіцієнт теплопровідності води у умовах дорівнює 0,683 Вт/(м·град). При збільшенні тиску зростає температура кипіння води (закон Клапейрона — Клаузіуса). За даними таблиці видно, при тиску в 100 разів вище атмосферного (100 бар) вода знаходиться у вигляді пари при температурі від 310°З має теплопровідність 0,523 Вт/(м·град).

Таким чином, слід зазначити, що зміна тиску впливає як на температуру кипіння води, так і на величину її теплопровідності. Висока теплопровідність води досягається за рахунок зростання тиску – при підвищенні тиску коефіцієнт теплопровідності води збільшується. Наприклад, при тиску 1 бар та температурі 20°С вода має теплопровідність, рівну 0,603 Вт/(м·град). При зростанні тиску до 500 бар теплопровідність води дорівнює 0,64 Вт/(м·град) при цій же температурі.

Примітка: Риса під значеннями в таблиці означає фазовий перехід води до пари, тобто цифри під межею відносяться до пари, а вище за неї — до води. Теплопровідність у таблиці вказана у ступеню 10 3 . Не забудьте поділити на 1000! Розмірність теплопровідності води таблиці Вт/(м·град).

1. Варгафтік Н.Б. Довідник з теплофізичних властивостей газів та рідин.
2. Міхєєв М.А., Міхєєва І.М. Основи теплопередачі.
3. Чубик І.А., Маслов А.М. Довідник з теплофізичних характеристик харчових продуктів та напівфабрикатів. М: «Харчова промисловість», 1970 - 184 с.
4. ДССД 2-77 Вода. Щільність при атмосферному тиску та температурах від 0 до 100°С. М.: Видавництво стандартів, 1978 - 6 с.