Jak se mění objem vody s teplotou?

Čistá voda je bezbarvá, průhledná kapalina. Při přechodu vody z pevného do kapalného skupenství hustota jako téměř všechny ostatní látky neklesá, ale roste. Při zahřátí vody z 0 na 4°C se zvyšuje i její hustota. Při 4°C má voda maximální hustotu a teprve dalším ohřevem její hustota klesá.

Pokud by se s poklesem teploty a při přechodu z kapalného do pevného skupenství měnila hustota vody stejně jako u naprosté většiny látek, pak by se s blížící se zimou povrchové vrstvy přírodních vod chladný. by dosáhl 0 °C a klesl ke dnu, čímž by se vytvořil prostor pro teplejší vrstvy, a to by pokračovalo, dokud by celá hmota nádrže nezískala teplotu 0 °C. Pak by voda začala mrznout, vzniklé ledové kry by klesaly ke dnu a nádrž by zamrzla do celé hloubky. Mnoho forem života ve vodě by však bylo nemožné. Ale protože voda dosahuje největší hustoty při 4 °C, pohyb jejích vrstev způsobený ochlazováním končí při dosažení této teploty. Při dalším poklesu teploty ochlazená vrstva, která má nižší hustotu, zůstává na povrchu, zamrzá, a tím chrání podkladové vrstvy před dalším ochlazováním a promrzáním.

Velký význam v životě přírody má skutečnost, že voda. má abnormálně vysokou tepelnou kapacitu [4,18 J/(g K)], proto se v noci, stejně jako při přechodu z léta do zimy, voda pomalu ochlazuje a přes den nebo při přechodu ze zimy do léta dochází se také pomalu ohřívá a je tak regulátorem teploty na zeměkouli.

Vzhledem k tomu, že při tání ledu se objem zabraný vodou zmenšuje, tlak snižuje teplotu tání ledu. Vyplývá to z Le Chatelierovy zásady. Opravdu, nech to být. Led a kapalná voda jsou v rovnováze při XNUMX°C. S rostoucím tlakem se bude rovnováha podle Le Chatelierova principu posouvat směrem ke vzniku té fáze, která při stejné teplotě zaujímá menší objem. V tomto případě je tato fáze kapalná. Zvýšení tlaku při O °C tedy způsobí přeměnu ledu na kapalinu a to znamená, že teplota tání ledu klesá.

Molekula vody má hranatou strukturu; jádra obsažená v jeho složení tvoří rovnoramenný trojúhelník, na jehož základně jsou dva protony, a na vrcholu – jádro atomu kyslíku Mezijaderné vzdálenosti O-H jsou blízké 0,1 nm, vzdálenost mezi jádry atomů vodíku je přibližně 0,15 nm. Z osmi elektronů, které tvoří vnější elektronovou vrstvu atomu kyslíku v molekule vody, tvoří dva elektronové páry kovalentní O-H vazby a zbývající čtyři elektrony představují dva osamocené elektronové páry.

ČTĚTE VÍCE

Jaká značka je dobrý zvlhčovač?

Atom kyslíku v molekule vody je ve stavu -aea?eaecaoee. Proto je vazebný úhel HOH (104,3°) blízký čtyřstěnnému (109,5°). Elektrony tvořící vazby O-H jsou posunuty k elektronegativnějšímu atomu kyslíku. V důsledku toho získávají atomy vodíku efektivní kladné náboje, takže na těchto atomech vznikají dva kladné póly. Centra záporných nábojů osamocených elektronových párů atomu kyslíku, umístěných v hybridních orbitalech, jsou posunuta vzhledem k jádru atomu a vytvářejí dva záporné póly.

Molekulová hmotnost vodní páry je 18 a odpovídá jejímu nejjednoduššímu vzorci. Molekulová hmotnost kapalné vody, stanovená studiem jejích roztoků v jiných rozpouštědlech, se však ukazuje být vyšší. To ukazuje, že v kapalné vodě dochází ke spojení molekul, tj. jsou spojeny do složitějších agregátů. Tento závěr potvrzují anomálně vysoké hodnoty teplot tání a varu vody. Spojení molekul vody je způsobeno tvorbou vodíkových vazeb mezi nimi.

V pevné vodě (ledu) se atom kyslíku každé molekuly podílí na tvorbě dvou vodíkových vazeb se sousedními molekulami vody podle diagramu, ve kterém jsou vodíkové vazby znázorněny tečkovanou čarou. Schéma objemové struktury ledu je na obrázku. Vytváření vodíkových vazeb vede k uspořádání molekul vody, ve kterém se dostávají do vzájemného kontaktu se svými opačnými póly. Molekuly tvoří vrstvy, přičemž každá z nich je spojena se třemi molekulami patřícími do stejné vrstvy a jednou ze sousední vrstvy. Struktura ledu patří k nejméně hustým strukturám, jsou v ní dutiny, rozměry nejméně hustých struktur, jsou v ní dutiny, jejichž rozměry jsou o něco větší než rozměry molekuly.

Když led taje, jeho struktura je zničena. Ale i v kapalné vodě jsou vodíkové vazby mezi molekulami zachovány: vznikají asociáty – jako fragmenty struktury ledu – skládající se z většího či menšího počtu molekul vody. Na rozdíl od ledu však každý společník existuje velmi krátkou dobu: neustále dochází k destrukci některých agregátů a tvorbě jiných agregátů. Prázdné prostory takových „ledových“ agregátů mohou pojmout jednotlivé molekuly vody; Současně se shlukování molekul vody stává hustším. Proto se při tání ledu zmenšuje objem vody a zvyšuje se její hustota.

Jak se voda zahřívá, je v ní stále méně úlomků ledové struktury, což vede k dalšímu zvýšení hustoty vody. V teplotním rozsahu od 0 do 4°C tento efekt dominuje nad tepelnou roztažností, takže hustota vody stále roste. Při zahřátí nad 4°C však převažuje vliv zvýšeného tepelného pohybu molekul a klesá hustota vody. Proto má voda při 4 °C maximální hustotu.

ČTĚTE VÍCE

Která toaleta je lepší se šikmým nebo vodorovným vývodem?

Při ohřevu vody se část tepla spotřebuje na rozbití vodíkových vazeb (energie rozbití vodíkové vazby ve vodě je přibližně 25 kJ/mol). To vysvětluje vysokou tepelnou kapacitu vody.

Vodíkové vazby mezi molekulami vody jsou zcela přerušeny pouze tehdy, když se voda promění v páru.

Obsah

Fyzikální stavy vody
Hustota vody v pevném a kapalném skupenství
Tepelná kapacita vody
Teploty tání a varu vody ve srovnání s ostatními sloučeninami vodíku prvků hlavní podskupiny YI skupiny periodické soustavy prvků
Vodní diagram
Těžká voda
Izotopové složení

Fyzikální stavy vody

Fyzikální vlastnosti vody jsou anomální, což vysvětlují výše uvedené údaje o interakci mezi molekulami vody. Voda je jedinou látkou na Zemi, která se v přírodě vyskytuje ve všech třech stavech agregace – kapalné, pevné a plynné.

Hustota vody v pevném a kapalném skupenství

Tání ledu při atmosférickém tlaku je doprovázeno poklesem objemu o 9 %. Hustota kapalné vody při teplotách blízkých nule je větší než hustota ledu. Při 00 °C zaujímá 1 gram ledu objem 1,0905 centimetru krychlového a 1 gram kapalné vody zaujímá objem 1,0001 centimetru krychlového. A led plave, proto vodní plochy většinou nepromrzají, ale jsou pouze pokryty ledem.

Teplotní koeficient objemové roztažnosti ledové a kapalné vody je negativní při teplotách pod – 2100 C, resp. + 3,980 C.

Tepelná kapacita vody

Tepelná kapacita při tavení se téměř zdvojnásobí a v rozsahu od 00 C do 1000 C je téměř nezávislá na teplotě

Teploty tání a varu vody ve srovnání s ostatními sloučeninami vodíku prvků hlavní podskupiny YI skupiny periodické soustavy prvků

Voda má ve srovnání s ostatními sloučeninami vodíku prvků hlavní podskupiny VI. skupiny periodické tabulky neobvykle vysoké teploty tání a varu.

Vodní diagram

Fázový diagram (neboli fázový diagram) je grafické znázornění vztahu mezi veličinami charakterizujícími stav systému a fázovými přeměnami v systému (přechod z pevné látky do kapaliny, z kapaliny do plynné fáze atd.). Fázové diagramy jsou široce používány v chemii. Pro jednosložkové systémy se obvykle používají fázové diagramy, znázorňující závislost fázových přeměn na teplotě a tlaku; nazývají se fázové diagramy v P-T souřadnicích.

ČTĚTE VÍCE

Co dělat, když se ponožka zasekne v trubce vysavače?

Obrázek znázorňuje ve schematické podobě (bez striktního dodržení měřítka) diagram stavu vody. Jakýkoli bod na diagramu odpovídá určitým hodnotám teploty a tlaku.

Diagram ukazuje ty stavy vody, které jsou termodynamicky stabilní při určitých hodnotách teploty a tlaku. Skládá se ze tří křivek, které rozdělují všechny možné teploty a tlaky do tří oblastí odpovídajících ledu, kapalině a páře.

Podívejme se na každou z křivek podrobněji. Začněme křivkou OA (obr. 3), oddělující oblast páry od oblasti kapaliny. Představme si válec, ze kterého byl odstraněn vzduch, načež se do něj vpustí určité množství čisté vody, zbavené rozpuštěných látek včetně plynů; válec je vybaven pístem, který je upevněn v určité poloze. Po nějaké době se část vody odpaří a nad jejím povrchem bude nasycená pára. Můžete změřit jeho tlak a ujistit se, že se časem nemění a nezávisí na poloze pístu. Pokud zvýšíme teplotu celého systému a znovu změříme tlak nasycených par, ukáže se, že se zvýšil. Opakováním takových měření při různých teplotách zjistíme závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě. Křivka OA je grafem tohoto vztahu: body křivky ukazují ty dvojice hodnot teploty a tlaku, při kterých jsou kapalná voda a vodní pára ve vzájemné rovnováze – koexistují. Křivka OA se nazývá rovnovážná křivka kapalina-pára nebo křivka varu. Tabulka ukazuje hodnoty tlaku nasycených vodních par při několika teplotách.

Teplota Tlak nasycených par kPa mm Hg. Umění. 0 0,61 4,6 10 1,23 9,2 20 2,34 17,5 30 4,24 31,8 40 7,37 55,3 50 12,3 92,5 60 19,9 149 70 31,2, 234, 80 47,4

Zkusme ve válci vytvořit tlak odlišný od rovnovážného, např. menší než rovnovážný. Chcete-li to provést, uvolněte píst a zvedněte jej. V prvním okamžiku tlak ve válci skutečně klesne, ale brzy se obnoví rovnováha: další množství vody se odpaří a tlak opět dosáhne své rovnovážné hodnoty. Pouze tehdy, když se všechna voda odpaří, lze dosáhnout tlaku menšího než rovnovážného. Z toho vyplývá, že body ležící na fázovém diagramu pod nebo napravo od křivky OA odpovídají oblasti páry. Pokud se pokusíte vytvořit tlak větší než rovnovážný, lze toho dosáhnout pouze spuštěním pístu na hladinu vody. Jinými slovy, body diagramu ležící nad nebo nalevo od křivky OA odpovídají oblasti kapalného stavu.

ČTĚTE VÍCE

Jaká je úhlopříčka televizoru na vzdálenost 3 metrů?

Jak daleko sahají oblasti kapalných a parních skupenství doleva? Označme si jeden bod v obou oblastech a přesuňte se od nich vodorovně doleva. Tento pohyb bodů na diagramu odpovídá ochlazování kapaliny nebo páry při konstantním tlaku. Je známo, že pokud chladíte vodu při normálním atmosférickém tlaku, pak když dosáhne 0 °C, voda začne mrznout. Provedením podobných experimentů při jiných tlacích dospějeme ke křivce OS oddělující oblast kapalné vody od oblasti ledu. Tato křivka – rovnovážná křivka pevná látka-kapalina nebo křivka tání – ukazuje ty dvojice hodnot teploty a tlaku, při kterých jsou led a kapalná voda v rovnováze.

Pohybem vodorovně doleva v oblasti páry (ve spodní části diagramu) dojdeme podobně ke křivce 0B. Toto je rovnovážná křivka pevná látka-pára nebo sublimační křivka. Odpovídá těm párům hodnot teploty a tlaku, při kterých jsou led a vodní pára v rovnováze.

Všechny tři křivky se protínají v bodě O. Souřadnice tohoto bodu jsou jedinou dvojicí hodnot teploty a tlaku. ve kterém mohou být všechny tři fáze v rovnováze: led, kapalná voda a pára. Říká se tomu trojný bod.

Křivka tání byla studována až do velmi vysokých tlaků.V této oblasti bylo objeveno několik modifikací ledu (v diagramu neznázorněno).

Vpravo končí křivka varu v kritickém bodě. Při teplotě odpovídající tomuto bodu – kritické teplotě – se veličiny charakterizující fyzikální vlastnosti kapaliny a páry shodují, takže rozdíl mezi skupenstvím kapaliny a páry mizí.

Existenci kritické teploty stanovil v roce 1860 D.I. Mendělejev, který studoval vlastnosti kapalin. Ukázal, že při teplotách nad kritickou teplotou nemůže být látka v kapalném stavu. V roce 1869 Andrews, který studoval vlastnosti plynů, dospěl k podobnému závěru.

Kritická teplota a tlak jsou pro různé látky různé. Takže pro vodík = -239,9 °N, = 1,30 MPa, pro chlor = 144 °C, = 7,71 MPa, pro vodu = 374,2 °C, = 22,12 MPa.

Jednou z vlastností vody, která ji odlišuje od ostatních látek, je to, že se zvyšujícím se tlakem klesá bod tání ledu. Tato okolnost se odráží v diagramu. Křivka tání OC na vodním diagramu jde nahoru doleva, zatímco u téměř všech ostatních látek jde nahoru doprava.

ČTĚTE VÍCE

Na jaké úrovni by měl být komín u plynového kotle?

Transformace, ke kterým dochází s vodou při atmosférickém tlaku, jsou na diagramu vyjádřeny body nebo segmenty umístěnými na vodorovné čáře odpovídající 101,3 kPa (760 mm Hg). Tání ledu nebo krystalizace vody tedy odpovídá bodu D, vařící voda odpovídá bodu E, topná nebo chladicí voda odpovídá segmentu DE atd.

Fázové diagramy byly studovány pro řadu látek vědeckého nebo praktického významu. V zásadě jsou podobné uvažovanému diagramu stavu vody. Ve fázových diagramech různých látek však mohou být rysy. Jsou tedy známy látky, jejichž trojný bod leží při tlaku převyšujícím atmosférický tlak. Zahříváním krystalů za atmosférického tlaku v tomto případě nedochází k roztavení této látky, ale k její sublimaci – přeměně pevné fáze přímo na fázi plynnou.

Těžká voda

Při elektrolýze obyčejné vody, která spolu s molekulami H O obsahuje i malé množství molekul DO tvořených izotopem těžkého vodíku, dochází k rozkladu převážně molekul H O. Proto při dlouhodobé elektrolýze vody dochází k postupnému obohacování zbytku. s molekulami DO.Z takového zbytku bylo po opakované elektrolýze v roce 1933 poprvé možné izolovat malé množství vody sestávající z téměř 100 % molekul D O a nazývané těžká voda.

Těžká voda se svými vlastnostmi výrazně liší od obyčejné vody (tabulka). Reakce s těžkou vodou probíhají pomaleji než s normální vodou. Těžká voda se používá jako moderátor neutronů v jaderných reaktorech.

Konstantní	H2O	D2O
Molekulová hmotnost	18	20
Teplota tuhnutí, °C,		3,8
Bod varu, °C,	100	101,4
Hustota při 25 °C, g/cm	0,9971	1,1042
Teplota maximální hustoty, °C	4	11,6