Плотность воды — определение, плотность воды и температура

Что такое вода — общее определение

Вода — неорганическое соединение, состав описывается формулой Н2О, следовательно, в молекуле воды содержится два атома водорода и один — кислорода. Соединены они ковалентной связью, которая образована путем перекрывания пары валентных электронных облаков. Чистое вещество не имеет цвета, запаха, вкуса.

В природе вода всегда содержит растворенные в ней вещества. Являясь сильнополярным растворителем, она в той или иной степени растворяет все вещества, с которыми контактирует. В результате такие характеристики воды как плотность, электропроводность и др. меняются из-за присутствия примесей.

Для жизни всей планеты важен круговорот веществ в природе, важнейшим из которых является круговорот воды. Испаряясь с поверхности природных водоемов, ее пары поднимаются вверх и формируют облака. В дальнейшем, выпадая в виде осадков, на землю вместе с водой возвращается масса химических веществ, которые в ней растворены. Круговорот воды влияет также на  формирование климата и погоды.

На планете Земля порядка 1400 млн км3 воды. Покрывая более 70% поверхности земли, водоемы составляют Мировой океан. В большинстве своем, это соленая вода, непригодная для употребления человеком и выращивания сельскохозяйственных структур. На долю пресной воды приходится всего 1,81%, большая часть ее заключена в ледниках, и подземных запасах (0,63%). Крайне незначительная часть влаги присутствует в атмосфере (0,001%).

Без воды невозможно существование живых организмов, поскольку она присутствует в их тканях и системах. Человек, способный обходиться без продуктов питания порядка 50-70 суток, не сможет жить без воды более 3-5 дней. На практике этот период может быть значительно меньше.

Строение воды

Вода – неорганическое соединение с формулой Н2О. Она состоит из кислородного атома, который связан с двумя водородными атомами. Угол между атомами Н-О-Н составляет 104,5˚.

Кислород – электроотрицательный элемент, к которому смещены общие электронные пары. На кислороде возникает частично отрицательный заряд, а на водороде – частично положительный. Вода – электрический диполь. Многие свойства воды обусловлены ее полярностью.

Молекулы воды между собой образовывают водородные связи, которые объясняют высокую плотность и температуру кипения. Чем выше температура реакции, тем меньшее количество связей образуется.

Физические свойства воды

Вода – бесцветная жидкость, у которой отсутствует запах и вкус. Она обладает рядом физических свойств.

1. Температура кипения 100˚С (при давлении 101,3 кПа).
2. Температура замерзания 0˚С.
3. Максимальная плотность воды (характерна при 4˚С) 1 г/см3.

Лед всегда всплывает в водоемах или стаканах с водой. Это связано с тем, что плотность горячей и холодной воды отличается. Лед обладает меньшей плотностью, чем жидкая вода.

Воде свойственна высокая теплоемкость, поэтому она медленно нагревается и остывает. С помощью теплофизических свойств воды регулируется климат. Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Вода задерживает до 60 % теплового излучения нашей планеты, не позволяя ей охлаждаться.

Теплопроводность воды небольшая. Вода в водоемах нагревается не с помощью молекулярной теплопроводности, а путем перемешивания с помощью волн и течений. Если вода не перемешивается, то она нагревается частями и образуется термическая слоистость (стратификация).

Физсвойства воды отражаются в агрегатных состояниях:

• Н2О – молекула парообразной воды (гидроль);
• (Н2О)2 – молекула жидкой воды (дигидроль);
• (Н2О)3 – молекула твердой воды (тригидроль).

В химии физические свойства воды отражаются в количестве связей между молекулами. В парах находятся отдельные молекулы, в жидкостях между ними образуются водородные связи. Если вода находится в состоянии льда, то каждая молекула соединена с соседними молекулами с помощью четырех водородных связей.

Растворимость веществ в воде

Растворимость – максимальная масса вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя при определенной температуре. Вещества классифицируются на три группы в зависимости от степени растворимости.

• Хорошо растворимые – в 100 мл воды растворяется более 1 г вещества (сахар).
• Малорастворимые – в 100 мл воды растворяется 0,01-1 г вещества (гипс).
• Нерастворимые – в 100 мл воды растворяется менее 0,01 вещества (хлорид серебра (I)).

Большинство твердых веществ при нагревании растворяется быстрее. Растворимость газов повышается при понижении температуры и повышении давления.

Растворение многих веществ в воде сопровождается образованием оболочки из молекул воды. Данный комплекс называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняется часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:

CuSO4 +5 H2O = CuSO4· 5H2O

Растворы

Растворы – гомогенные смеси, которые включают частицы растворенного вещества, растворитель и продукты их реакции. Растворы классифицируют на две группы:

• насыщенные (вещество в растворе больше не растворяется при определенной температуре);
• ненасыщенные (вещество продолжает растворяться при определенной температуре).

Химические свойства воды

Вода вступает во взаимодействие с рядом веществ.

• Со щелочными и щелочно-земельными металлами

2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2↑

• С металлами при нагревании

Fe + 4 H2O = Fe3O4 + 4 H2↑

• С неметаллами при нагревании

С + Н2О = СО↑ + Н2↑

• С оксидами активных металлов

Li2O + H2O = 2 LiOH

• С оксидами неметаллов

SO3 + H2O = H2SO4

Вода может разлагаться под действием электрического тока или температуры в 2000˚С.
2 Н2О → 2 Н2↑ + О2↑

Вода – важнейший компонент такой реакции как гидролиз. Гидролиз – взаимодействие соли с водой, в результате которого происходит ионный обмен между молекулами.

Na3PO4 + H2O ↔ Na2HPO4 + NaOH

Замерзание воды и водных растворов в различных условиях

Процессы замерзания воды и ее растворов отличаются многообразием. Например, в грунте при отрицательной температуре некоторая часть влаги все-таки сохраняется в жидком состоянии, хотя в природе чистая вода замерзает при 0оС. В работах Н.А.Цытовича продемонстрировано, что по мере нагревания (при фоновой отрицательной температуре) содержание жидкой воды в грунте увеличивается.

Существуют особенности в процессе замерзания воды, содержащей растворенные соли. Когда ее температура опускается до точки замерзания, первыми обнаруживаются ледяные кристаллы, которые выглядят как шестигранные призмы, похожие на иглы. Эти кристаллы содержат чистую воду, соли по-прежнему находятся в растворе, их концентрация при этом увеличивается. В связи с тем, что лед легче воды, ледяные иглы поднимаются на поверхность, делая внешний вид водоема похожим на пятна жира.

Определить точную температуру кристаллизации льда легко для бесконечно разбавленных смесей. В случае же концентрированных растворов, протекающие процессы более сложные, поэтому численные результаты требуют дополнительной обработки.

При таянии морского льда вначале вытаивает соль, т. е. остается в жидком растворе. По этой причине полярный лед превращается в пресную субстанцию.

В районе морского берега лед образовывается раньше, чем на глубине. «Прилипая» к береговой линии, он формирует припай, который при тихой погоде может занять территорию до нескольких десятков километров. Сильные ветры могут отрывать части припая и уносить на глубину.

Особенности замерзания морской воды проявляются также в зависимости температуры замерзания от ее химического состава. Известно, что в различных морях различное количество солей. Так, в озере Сиваш она имеет соленость 100 промилле, а в Кара-Богаз-Голе — 250 промилле. Температуры замерзания этих вод соответственно -6 оС и -10 оС.

Существует специальная таблица, по которой можно определить, при каких значениях температуры воздуха произойдет замерзание воды, содержащей примеси:

Источник: de-ussr.ru

Согласно таблице при увеличении солености на каждые 2 промилле, температура замерзания воды понижается на 0,1 оС. Так, для замерзания воды в океане (соленость 35 промилле) необходима температура около -2оС.

Анализируя таблицу, можно сделать вывод, что соленость Азовского моря, равная 12 промилле, обеспечивает снижение температуры его замерзания до -0,6 оС. А воды Белого моря (его открытой части), имея соленость 25 промилле, замерзнут при температуре -1,4 оС.

Очистка воды

Вода – самое распространенное вещество на нашей планете. Она наполняет океаны, моря, озера. Пары воды входят в состав воздуха. Природная вода всегда содержит различные примеси. В зависимости от целей использования применяют различные способы очистки воды.

В питьевой воде не должны содержаться примеси и болезнетворные бактерии. Чтобы вода из озер и рек была пригодна для питья, ей дают отстояться в специальных бассейнах. Затем ее фильтруют через слой песка. Очищенную от нерастворимых веществ воду обрабатывают хлором, озоном или ультрафиолетовыми лучами.

Для очищения воды от растворенных в ней веществ используют перегонку, или дистилляцию. Этим способом получают дистиллированную воду. Ее применяют в лабораториях, аптеках, охладительных системах машин и т. д.

Применение и значение воды

Благодаря особым свойствам воды на Земле существует жизнь. То, что она, имея температуру, приемлемую для земных организмов, остается в жидком состоянии, обеспечило современное состояние земной поверхности, способствовало зарождению всех форм жизни.

Вода — идеальный растворитель, в котором в растворенном состоянии могут находится органические и неорганические вещества. Именно этот факт обеспечивает протекание биохимических процессов на клеточном уровне. Человеческое тело, как и тело животного, больше, чем наполовину состоит из воды. Без ее поступления в организм обычный человек может прожить не более 3-5 дней.

При протекании химических реакций вода часто выступает в роли катализатора или растворителя. Ее роль в аккумуляторных электролитах, лекарственных формах, напитках, буферных растворах огромна. Из природных растворов методом выпаривания получают чистые химические вещества. Однако и в природном состоянии их применяют в ходе физиотерапевтических процедур, при водолечении, бальнеолечении и т.п. Проведение таких процедур позволяет ускорить выздоровление больных.

Говоря о роли воды в природе, нельзя не упомянуть о ее влиянии на формирование климата. Будучи веществом с высокой теплоемкостью, она в составе океанов поглощает тепло, которое в последующем отдает обратно, в атмосферу, что делает климат на планете более мягким. Важную роль играют холодные и теплые течения, например, Гольфстрим. Из-за него климат в Англии, Мурманске теплее и мягче, чем на континентальной части.

Воду в виде пара содержит атмосфера. Именно эта влага способна задерживать тепло, которое излучает Земля. Ученые считают, что, благодаря такому эффекту (парниковый эффект), наша планета сохраняет практически постоянную температуру и сохраняет жизнь во всех формах ее сегодняшнего проявления.

Чему равна?

На плотность обычной воды влияет только температура.

Если брать во внимание температуру преобразования в твердое и газообразное состояние, то есть в лед и пар, то значения будут следующими:

• при 0˚С — 999,8 кг/м3 (0,998 г/см3);
• при 100˚С — 958,4 кг/м3 (0,958 г/см3).

Как видно, с повышением температуры значение медленно снижается, но несущественно.

Стоит учитывать, что эти значения получены в идеальных лабораторных условиях, на практике же они будут немного отличаться.

Что влияет на показатель для питьевой H2O?

У чистой пресной воды есть необычная особенность, которая нехарактерна для поведения веществ при изменении условий.

При температуре от 0 до 4˚С и обычном атмосферном давлении 760 мм рт. ст ее плотность и вес растут и достигают 1000 кг на 1 куб м (1 г на 1 куб. см). Затем, с повышением температуры, начинают постепенно снижаться.

Кроме этого, на величину в сторону ее увеличения влияют:

• примеси, например, пыль, пузырьки растворенного газа, в данном случае воздуха,
• атмосферное давление.

Плотность обычной воды зависит также и от ее чистоты. Так, очищенная питьевая будет менее плотной, чем не питьевая из природных источников, так как в ней находятся различные органические и неорганические примеси, например, частички ила, песок и т. д.

Сравнение

Пресная вода всегда будет менее плотной по сравнению с водами, содержащими соли и минеральные элементы. Возьмем для сравнения морскую и соленую.

С морской

Показатель для морской H2O при солености в 35% (среднее общее значение) составляет 1027,81 кг/м3. Но чем выше концентрация солей, тем она будет плотнее.

Обычно это значение, которое было установлено после измерений в разных частях земного шара, варьируется от 1025 до 1033 кг/м3. Соответственно, каждый кубический метр воды океанов будет весить на 27-33 кг больше, чем такой же объем пресной.

При этом наиболее плотной она будет не при положительных значениях температур — +4˚С, а при отрицательных – от -3 °С.

На плотность и количество солей в морской воде оказывает влияние:

• объем выпадающих виде дождей осадков,
• интенсивность испарений с их поверхности,
• температура, до которой нагреваются верхние слои,
• объем приточной речной воды,
• есть ли замерзание и таяние льдов.

С соленой

Плотность любой соленой воды зависит от концентрации в ней различных солей. Чем больше концентрация, тем она более плотная, т.е. будет уже не 999,8 кг/м3, а 1000 кг/м3 и более.

То же самое относится и к минеральной воде, в ней также есть соли, а значит, она будет плотнее, чем, например, дождевая, талая или дистиллированная.

Какая плотнее и почему?

Если сравнивать пресную и морскую воду, то последняя всегда будет плотнее из-за содержания солей. Если говорить о температуре, то чем холоднее вода, тем она плотнее, за исключением той, что нагрета от 0 до 4˚С.

Какая вода плотнее — соленая или пресная, видео-эксперимент:

Плотность воды — аномалия

Как мы видим, ПВ в жидком состоянии, вначале, при повышении температуры до 4-х градусов по Цельсию, увеличивается, а далее от 4 °C и выше понижается. Т. е. при 4 °C ПВ достигает своего максимального значения.

С аномалией плотности воды связаны такие факты и явления:

• При замораживании вода расширяет;
• Плотность воды в твердом состоянии — льда ниже, чем ПВ в жидком состоянии;
• У воды низкий коэффициент расширения и сжатия.

Прекрасной иллюстрацией аномалии ПВ является, например, лед. Он не тонет, поскольку его плотность меньше ПВ.

Свойство воды, благодаря которому ее максимальная плотность достигается при +4 °C, имеет огромное значение для всей нашей планеты. Например, благодаря именно этому свойству пруды и другие водоемы замерзают сверху вниз, что позволяет всем формам жизни находящимся в них выжить в период сильных морозов.

Заключение

Плотность воды — важный параметр, который используется в химии, физике, гидрологии и мореплавании. Используйте наш калькулятор для быстрого вычисления плотности воды в зависимости от ее температуры и солености.