Химический состав и свойства воды

 

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические и биохимические  основы производства мяса и мясных продуктов»

на тему:

«ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ВОДЫ» 
 
 
 
 
 
 

                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Волгоград, 2011

Содержание

Введение………………………………...................................................................3

1.Строение молекулы……………………………………………………….…….4

2.Физические свойства воды и льда……………………………………………..7

3. Диаграмма состояния воды………………………………………...………….8

4. Химические свойства воды……………………………………….………….10

5. Химический состав  поверхностных вод……………………………………11

5.1 Мезоэлементы……………………………………………………………….16

5.2 Микроэлементы……………………………………………………………..18

6. Химический  состав подземных вод…………………………………………19

7. Химический  состав питьевой воды………………………………………….21

     Заключение………………………………………………………………………26

    Список использованных источников……………………………………...……27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Вода  — одно из самых распространенных веществ на нашей планете; она  имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения воды в поверхности океанов и суши и выделения влаги растениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызывает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие конденсации вода снова возвращается на землю в виде роем, дождя, града и снега.

     Часть воды испаряется непосредственно с  почвы и покрывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, лйбо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверхности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.

     Вследствие  постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду  вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества. 

          
 
 
 

     1. Строение молекулы

     Аномальные  свойства воды предполагают существование  прочных сил между молекулами воды. Это можно объяснить уже при рассмотрении природы единичной молекулы воды, а затем и группы молекул. Шесть валентных электронов кислорода в молекуле воды гибридизированы в четырех $р³-орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр.

     Две гибридные орбитали образуют О—Н ковалентные связи с углом 105°, тогда как другие две орбитали имеют неподеленные электронные пары. Ковалентные О—Н связи, благодаря высокой электроотрицательности кислорода, частично (на 40%) имеют ионный характер.

     Таким образом, молекула воды имеет два отрицательных и два положительных заряда по углам тетраэдра. Вследствие этого, каждая молекула воды тетраэдрически  координирована с четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным связям . Тетраэдическая координация молекул представлена на рисунке 1.

  

  «Рисунок 1- Тетраэдрическая координация молекул  воды».

     Одновременное присутствие в молекуле воды двух доноров и двух акцепторов делает возможной ассоциацию в трехмерную сеть стабилизированную водородными связями, что обеспечивает большую силу взаимодействия между молекулами. Эта структура объясняет особые физические свойства воды, необычные для малых молекул. Так, например,спирт и соединения с изоэлектрическими диполями, такие как HF или NH₃, образуют, в отличие от воды, только линейную или двухмерную ассоциацию. Частичная поляризация Н—О связи в дальнейшем усиливается за счет образования водородных связей. Поэтому дипольный момент комплекса, состоящего из увеличенного числа водных молекул (мультимолеку- лярный диполь), тем больше, чем больше молекул ассоциировано и, естественно, больше дипольного момента единичной молекулы. Как следствие, диэлектрическая постоянная воды оказывается большой и превышает величину, которая может быть вычислена на основе дипольного момента единичной молекулы. Транспорт (перенос) протона осуществляется вдоль водородной связи. Это поистине прыжок протона от одной молекулы воды к соседней молекуле воды. Независимо от того, получен ли протон путем диссоциации воды или будет получен от кислоты, он будет погружаться в орбитали неподеленных электронов молекулы, образуя гидратированный ион водорода Н₃0⁺ (ион гидроксония) с исключительно сильной водородной связью (энергия диссоциации — 100 кДж/моль) .Подобный механизм действует и в транспорте ионов ОН, который осуществляется вдоль водородных связей. Переход протона от одного атома кислорода к другому осуществляется чрезвычайно быстро (V> 10¹²с^-1), поэтому подвижность протона весьма велика. Она превышает подвижность других ионов в 4—5 раз и соизмерима только с подвижностью ионов ОН^-, которая, однако, примерно на 40% меньше. При этом скорость протонов во льду примерно в 100 раз больше, чем в воде. Способность воды образовывать трехмерные водородные связи, для разрушения которых необходима дополнительная энергия, объясняет рассмотренные выше необычные свойства воды, например высокие значения теплоемкости, точек плавления и кипения, поверхностного натяжения и теплот фазовых переходов. Вода может влиять на конформацию макромолекул, если там имеют место какие-либо нековалентные связи, которые стабилизируют конформацию большой молекулы. Эти нековалентные связи могут быть трех видов: водородные, ионные и неполярные связи. В белках существует конкуренция между CO...HN водородными связями и вода-амид водородными связями. Чем больше способность растворителя к образованию водородных связей, тем слабее CO...HN связь. В водной среде теплота образования или разрыва этой связи равна 0. Это означает, что CO...HN водородная связь не может обеспечить стабилизацию в водном растворе. Конкурирующая водородная связь от Н₂0 ослабляет термодинамическую тенденцию к образованию CO...HN водородных связей. Водные молекулы вокруг неполярных групп (молекул) становятся более упорядоченными, приводя к потере энтропии, и в результате возникает тенденция к ассоциации отдельных неполярных групп в водной среде с другими, большими чем водные, молекулами (гидрофобное взаимодействие). Концепция гидрофобной связи схематично показана на рисунке 2.

  

     «Рисунок 2- Образование гидрофобной связи».

     С химической точки зрения вода является весьма реакционноспособным веществом. Она соединяется со многими оксидами металлов и неметаллов, взаимодействует с активными металлами и вступает в различные другие реакции самого разнообразного характера. Превращения белков, липидов, углеводов с участием воды имеют важное значение в пищевых технологиях. Помимо химических реакций, в которые вступает вода, при растворении веществ в воде имеют место взаимодействия физико-химического характера. Ниже мы кратко рассмотрим взаимодействие воды с ионами и ионными группами, группами, обладающими способностью к образованию водородных связей, и с неполярными веществами (группами). Эти взаимодействия необходимо принимать во внимание при рассмотрении классификации видов влаги в пищевых продуктах и ее причастности к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте при хранении.

     2. Физические свойства воды и льда

       Вода имеет молекулярную массу примерно равную 18,02 и может существовать в состояниях жидкости, пара и льда, характеризующихся следующими показателями фазовых переходов: 

     Точка при 101,3 кПа (1 атм), °С

           замерзания (плавления)  0,00

           кипения   100,00

Теплота, кДж/моль (ккал/моль)

          плавления при 0°С  6,01 (1,435)

          парообразования при 100°С……40,63 (9,704)

          сублимации при 0°С  50,91 (12,16)

     Как видно из этих данных, для воды характерны высокая температуре кипения  и плавления, высокие значения теплоты  фазовых переходов (плавления, парообразования, сублимации). По этим свойствам вода существенно отличается от гидридов некоторых элементов, расположенных близко к кислороду в периодической системе (СН₄, NH₃, HF, H₂S, НС1). Вода обладает аномально высокой теплоемкостью. Это имеет большое значение в жизни природы — в ночное время, а также при переходе  от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. Вода обнаруживает необычное свойство расширяться при замерзании, вследствие чего плотность льда ниже, чем воды при той же температуре, что нехарактерно для других веществ при переходе из жидкого состояния в твердое. Среди других аномалий воды следует отметить высокое значение поверхностного натяжения и диэлектрической постоянной и значительную теплопроводность. Теплопроводность воды выше, чем других жидкостей, а льда — больше, чем других неметаллических твердых веществ. Следует также отметить, что теплопроводность льда при 0°С приблизительно в четыре раза больше, чем воды при той же температуре, т. е. лед проводит тепло значительно быстрее, чем иммобилизованная (неподвижная) вода, находящаяся в тканях. Если при этом учесть, что температуропроводность льда на порядок выше, чем воды, становится понятным, почему ткани замерзают быстрее, чем оттаивают, если задается одинаковая (но обратная) разность температур. 

     3. Диаграмма состояния воды 

     Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное и т. д.).

     Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами состояния в координатах P-t.

На рисунке 3 приведена в схематической форме (без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды.

«Рисунок 3-  Диаграмма состояния воды в области невысоких давлений».

     Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.

     Диаграмма показывает те состояния воды, которые  термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару. Кривая OA представляет зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом. Кривая OA называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения. Кривая ОС — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии. Кривая ОВ — кривая равновесия твердое состояние — пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры и давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар. Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки — это единственная пара значений температуры и давления, при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки. Тройная точка отвечает давлению водяного пара 0,610 кПа (4,58 мм рт. ст.) и температуре 0,01°С. Диаграмма состояния воды имеет значение при разработке технологических режимов для получения пищевых продуктов. Например, как следует из диаграммы, если лед нагревается при давлении меньше чем 0,610 кПа (4,58 мм рт.ст.), то он непосредственно переходит в пар. Это является основой при разработке способов получения пищевых продуктов сушкой замораживанием. Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

     Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды — точке Е, нагревание или охлаждение воды — отрезку DE и т. п.

     4. Химические свойства воды

     Из  химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

           Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем   притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.

                Электролитическая диссоциация  воды – причина гидролиза солей  слабых кислот и  (или) оснований.  Степень электролитической диссоциации  заметно возрастает при повышении  температуры. При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550⁰ С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево. Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н⁺ и ОН^-. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н₂ ; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н;  ОН;  О .

                При взаимодействии с F₂  образуется НF, а также   О₂ ;О₃ ; Н₂О₂ ; F₂О  и другие соединения.

                С остальными галогенами при  низких температурах вода реагирует  с образованием смеси кислот. При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней  СI₂  и значительно меньшие количества  Br₂    и    J ₂  .

                При пропускании паров воды  через раскалённый уголь она  разлагается и образуется так называемый водяной газ. При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с   СО; СН₄  и другими углеводородами. Фосфор при нагревании с водой под давлением  в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту. Вода взаимодействует со многими металлами с образованием  Н₂  и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg)  эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду  при повышенной температуре, например, Мg  и   Zn – выше 100⁰ С;  Fe – выше  600⁰ С.              При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания. Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI₂  только в присутствии следов воды. Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе  NH₃. Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО₂ , CI₂ , (CH₂)₂O , CHCI₃   и многими другими веществами газовые гидраты.