Атмосфера нашей планеты - это уникальная газовая смесь, содержащую азот, кислород, углекислый газ и некоторые другие компоненты. Она называется воздухом. Эта смесь обладает множеством свойств. Все важнейшие физико-химические и биологические процессы, происходящие вокруг нас в живой и неживой природе, полностью обусловлены составом воздуха, и зависимы от него. К ним можно отнести дыхание и горение, фотосинтез и реакции круговорота химических элементов в природе. Эта статья будет посвящена изучению физических и химических свойств газового состава атмосферы.

Также мы рассмотрим, в каких отраслях промышленности, медицины и сельского хозяйства могут быть использованы его физические характеристики. Например, те из них, которые являются наиболее существенными: удельный вес, плотность, упругость и теплопроводность. В статье также будет представлена информация о том, как используют воздух в современных технических приборах и устройствах, созданных с учетом его физических характеристик.

Как выяснили состав воздуха

Газообразная смесь, которой мы дышим, с давних времен трактовалась различными философскими школами как уникальная субстанция, дающая жизнь. У индусов она называлась праной, у китайцев - ци.

В середине 18 века гениальный французский естествоиспытатель А. Лавуазье своими химическими опытами развенчивает ошибочную научную гипотезу о существовании особого вещества - флогистона. Оно, якобы, содержало частицы неизвестной энергии, дающей жизнь всему сущему на Земле. Лавуазье доказал, что состав и свойства воздуха определяются наличием двух основных газов: кислорода и азота. На их долю приходится более 98%. Оставшаяся часть включает углекислый газ, водород, инертные элементы и примеси промышленных отходов, например, газообразные оксиды азота или серы. Изучение свойств компонентов атмосферы послужило для человека стимулом к использованию этой газообразной смеси в различных отраслях техники и в быту.

Воздух и его роль в жизнедеятельности живых организмов

Одним из первых ответов на вопрос, как человек использует свойства воздуха, будет следующий: он необходим нам для дыхания. Попав во время вдоха в верхние дыхательные пути, его порция достигает легких. В капиллярах альвеол кислород диффундирует в кровь. Она поставляет молекулы О 2 в межклеточную жидкость. Кровь непосредственно контактирует с клеточными мембранами, пропускающими кислород прямо в цитоплазму. Получив частицы О 2 , клетка расходует их в метаболических реакциях. В отличие от животных и человека, растения используют элементы атмосферы не только для дыхания, но и для фотосинтетических процессов, извлекая из него углекислый газ.

Состав и свойства воздуха

Пример, иллюстрирующий факт способности элементов атмосферы к поглощению тепловой энергии, проще сказать, к нагреванию, будет таким: если газоотводную трубку предварительно нагретой колбы с притертой пробкой опустить в емкость с холодной водой, то из трубки будут выходить пузырьки воздуха. Нагретая смесь азота и кислорода расширяется, не помещаясь больше в емкости. Часть воздуха выделяется и попадает в воду. При охлаждении колбы, объем газа в ней уменьшается и сжимается, и вода поступает вверх колбы по газоотводной трубке.

Рассмотрим еще один эксперимент, проводимый на уроках природоведения для учащихся 2 класса. Свойства воздуха, например, упругость и давление, наглядно видны, если надутый воздушный шар сжимать ладонями, а затем осторожно проколоть иглой. Резкий хлопок и разлетевшиеся лоскуты демонстрируют детям давление газа. Учащимся можно также объяснить, что эти свойства человек применил в производстве пневматических устройств, например, отбойных молотков, насосов для накачивания велосипедных камер, пневматического оружия.

Физические характеристики воздуха

Прозрачность, отсутствие цвета и запаха газообразной атмосферы, которая нас окружает, из собственного жизненного опыта хорошо известны ученикам 2 класса. Свойства воздуха, например, его легкость и подвижность, можно объяснить ребятам на примере ветровых электростанций. Их строят на возвышенностях и холмах. Ведь скорость движения воздуха зависит от высоты. Такие электростанции безопасны в эксплуатации и не наносят вред окружающей природе.

Как и другие вещества, компоненты атмосферы имеют массу. Для решения задач в курсе неорганической химии принято считать, что относительная молекулярная масса воздуха равна 29. Учитывая эту величину, можно узнать, какие газы легче атмосферы.

К ним относятся, например, гелий, водород. Чтобы создать летательный аппарат, человек проводил эксперименты и изучал свойства воздуха. Опыты увенчались успехом, и первый в мире полет на осуществили французские изобретатели братья Монгольфье уже в XVIII веке. Оболочка их аэростата была заполнена горячей смесью водорода, азота и кислорода.

Дирижабли - более маневренные и лучше управляемые устройства, поднимаются вверх потому, что их оболочки заполняют легкими газами, а именно гелием или водородом. Способность газовой смеси к сжатию человек применяет в таких устройствах, как воздушные тормоза. Ими оснащены автобусы, составы метро, троллейбусы. Приведенные примеры являются наглядной иллюстрацией того, как человек использует свойства воздуха.

Как возникают звуковые ощущения?

Один из важнейших анализаторов нашего организма - слуховой. Он воспринимает в качестве внешних раздражителей колебания, называемые звуковыми волнами. Они давят на барабанную перепонку, вызывая в ней вибрации, которые передаются слуховым косточкам среднего уха. Порция воздуха постоянно находится в полости евстахиевой трубы и выравнивает давление на барабанную перепонку. Это препятствует ее деформации и разрыву, обеспечивая передачу звуковых колебаний во внутреннее ухо, где и происходит возбуждение. По слуховым нервам оно поступает в височную долю коры головного мозга, что вызывает возникновение слуховых ощущений. Подобные примеры показывают нам, как человек использует свойства воздуха для осуществления нормальной жизнедеятельности собственного организма.

Воздух на службе у человека

Различные характеристики атмосферной смеси газов: плотность, удельный вес, теплопроводность, способность к сжатию и движению, широко применяются в нашей промышленности, медицине и в быту. Аппарат искусственного дыхания поставляет смесь обогащенную кислородом, непосредственно в легкие тяжелобольных людей и спасает им жизнь. Пылесос и кондиционер стали давно привычными в нашем обиходе.

Оба эти устройства используют сжатые компоненты атмосферы: пылесос струей втягивает частицы пыли и механических загрязнений с различных поверхностей. Поток холодных газов из кондиционера охлаждает помещение в жару. Эти примеры еще раз демонстрируют возможности того, как человек использует свойства воздуха в своей жизни.

Вопрос:

Здравствуйте. Меня интересует следующий вопрос. Возможно ли в домашних условиях избавить воду от воздуха (газов)? И может «чистая вода» (Н 2 О), без других молекул, а, в частности, без воздуха (газов) кристаллизироваться (лед)? Спасибо заранее за ответ и замечательно-познавательный сайт:). Александр

Ответ:

Здравствуйте, уважаемый Александр. Большое спасибо за Ваш интерес к нашему сайту. Как известно из химии, существование абсолютно чистых веществ невозможно в природе – всякое вещество обязательно содержит примеси . Если имеющиеся в веществе примеси в пределах точности описания системы не оказывают влияния на изучаемые свойства, можно считать систему однокомпонентной; в противном случае гомогенную систему считают раствором.

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств.

Раствор может иметь любое агрегатное состояние; соответственно их разделяют на твердые, жидкие и газообразные (последние обычно называют газовыми смесями). Даже обыкновенный воздух можно считать раствором газообразных кислорода (21 объёмных %), азота (78 объемных %) и углекислого газа (1 объёмный %).

Обычно компоненты раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество. Как правило, растворителем считают компонент, присутствующий в растворе в преобладающем количестве либо компонент, кристаллизующийся первым при охлаждении раствора; если одним из компонентов раствора является жидкое в чистом виде вещество, а остальными – твердые вещества либо газы, то растворителем считают жидкость. С термодинамической точки зрения это деление компонентов раствора не имеет смысла и носит поэтому условный характер.

Одной из важнейших характеристик раствора является растворимость. Раствори́мость - способность вещества образовывать с другими веществами растворы, в которых вещество находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц. Растворимость выражается концентрацией растворённого вещества в его растворе либо в процентах, либо в весовых или объёмных единицах, отнесённых к 100 г или 100 см³ (мл) растворителя (г/100 г или см³/100 см³).

Молярная концентрация С – число молей νВ растворенного вещества в одном литре раствора.

Нормальная концентрация N – число молей эквивалентов растворенного вещества (равное числу молей νВ, умноженному на фактор эквивалентности f) в одном литре раствора.

Моляльная концентрация m – число молей растворенного вещества в одном килограмме растворителя.

Процентная концентрация ω – число граммов растворенного вещества в 100 граммах раствора.

Еще одним способом выражения концентрации является мольная доля X – отношение числа молей данного компонента к общему числу молей всех компонентов в системе.

Концентрация компонента в растворе может изменяться от нуля до некоторого максимального значения, называемого растворимостью компонента.

Величина растворимости характеризует равновесие между двумя фазами, поэтому на неё влияют все факторы, смещающие это равновесие (в соответствии с принципом Ле Шателье – Брауна).

Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; при образовании растворов часто имеет место выделение либо поглощение теплоты. Теория растворов должна объяснять все эти явления. Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, основоположником которой был Д.И. Менделеев.

Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).

Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного. Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц EA-A и EB-B.

Идеальными можно считать также бесконечно разбавленные растворы, в которых можно пренебречь взаимодействием частиц растворителя и растворенного вещества между собой. Свойства таких растворов зависят только от концентрации растворенного вещества, но не зависят от его природы.

Растворимость газов в жидкостях зависит от ряда факторов: природы газа и жидкости, давления, температуры, концентрации растворенных в жидкости веществ (особенно сильно влияет на растворимость газов концентрация электролитов). Растворимость жидких и твёрдых веществ в воде - практически только от температуры.

В отсутствие химического взаимодействия газы смешиваются друг с другом в любых пропорциях, и в этом случае говорить о насыщении нет смысла. Однако при растворении газа в жидкости существует некая предельная концентрация, зависящая от давления и температуры. Растворимость газов в некоторых жидкостях коррелирует с их способностью к сжижению. Наиболее легко сжижаемые газы, например NH 3 , HCl, SO 2 , более растворимы, чем трудно сжижаемые газы, например O 2 , H 2 и He. При наличии химического взаимодействия между растворителем и газом (например, между водой и NH3 или HCl) растворимость увеличивается.

Наибольшее влияние на растворимость газов в жидкостях оказывает природа веществ. Так, в 1 литре воды при t = 18 °С и P = 1 атм. растворяется 0.017 л. азота, 748.8 л. аммиака или 427.8 л. хлороводорода. Аномально высокая растворимость газов в жидкостях обычно обусловливается их специфическим взаимодействием с растворителем – образованием химического соединения (для аммиака) или диссоциацией в растворе на ионы (для хлороводорода). Газы, молекулы которых неполярны, растворяются, как правило, лучше в неполярных жидкостях – и наоборот.

Зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри – Дальтона, который гласит, что растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Здесь С – концентрация раствора газа в жидкости, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа. Закон Генри – Дальтона справедлив только для разбавленных растворов при малых давлениях, когда газы можно считать идеальными. Газы, способные к специфическому взаимодействию с растворителем, данному закону не подчиняются.

Растворимость газов в жидкостях существенно зависит от температуры; количественно данная зависимость определяется уравнением Клапейрона – Клаузиуса (здесь X – мольная доля газа в растворе, λ – тепловой эффект растворения 1 моля газа в его насыщенном растворе):

Как правило, при растворении газа в жидкости выделяется теплота (λ < 0), поэтому с повышением температуры растворимость уменьшается. Растворимость газов в жидкости также сильно зависит от концентрации других растворенных веществ.

Таблица.
Растворимость газов в воде (мольная - молярная долевая концентрация в состоянии термодинамического равновесия) при парциальном давлении 101325 кПа в 1 л воды.

x (B) - мольная доля газа B, цифра в таблице соответствует мольной доле умноженной на приводной коэффициент из левого столбца. Т.е. x(Ar)=4,284*106 .

Зависимость растворимости газов от концентрации электролитов в жидкости выражается формулой Сеченова (X и Xo – растворимость газа в чистом растворителе и растворе электролита с концентрацией C):

Таким образом, растворимость газов в воде зависит от ее температуры, и от их концентрации в воздухе, так называемом, парциальном давлении газа.

Ниже в таблице приведены данные по растворимости газов в воде в мл растворенного вещества на 100 г H2O при различных температурах и при их парциальном давлении, равном нормальному атмосферному давлению. Температура (в оС) указана верхним индексом при значении растворимости.

Таблица. Растворимость газов в воде.

В природной воде могут газов в воде быть растворены газы как воздушного (атмосферного), так и подземного происхождения. В наиболее пресной дождевой воде прежде всего растворяются кислород и азот. Как известно, воздушная смесь газов земной атмосферы в основном состоит из 79 частей азота и 21 части кислорода. Хотя растворимость кислорода почти в два раза выше растворимости азота, все же в воде азота растворяется почти в два раза больше, чем кислорода (рис. 12).

Как я уже сказал, растворимость в воде газов различна и зависит от ряда факторов: температуры, давления, минерализации, присутствия в водном растворе других газов. С повышением температуры до 90 °С растворимость газов в воде снижается, а затем возрастает. Так, в 1 л воды при температуре 20 °С растворяется 665 мл углекислого газа, а при 0°С - в три раза больше, 1713 мл. При температуре 0°С в 1 л воды может быть растворено, мл: гелия - 10, сероводорода - 4630, аммиака- 1 300000. Как видно из этих примеров, растворимость зависит и от состава самого газа.

Повышение давления влечет за собой увеличение растворимости газов. Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм - 26,9.

Рис. 12. Зависимость растворимости газов – кислорода, азота и водорода в воде от температуры (при атмосферном давлении).

А вот при повышении минерализации воды растворимость газа падает. Так, при 0°С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л - только 15, т. е. в три раза меньше.

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что растворимость газа в природной воде при постоянных температуре и степени минерализации прямо пропорциональна давлению газа на жидкость, для газовых смесей она пропорциональна давлению каждого газа в отдельности. Но это справедливо для сравнительно небольших давлений. При значительных давлениях, например на больших глубинах в океане, где давление подчас достигает сотен и даже тысячи атмосфер, на растворимость газов в воде влияет не парциальное давление отдельных газов, а общее давление всего столба воды.

Таким образом, суммируя вышесказанное можно сделать следующие выводы. Поскольку растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс, их растворимость с повышением температуры уменьшается. Если оставить в теплом помещении стакан с холодной водой, то внутренние стенки его покрываются пузырьками газа - это воздух, который был растворен в воде, выделяется из нее вследствие нагревания. Значит, простым кипячением воды можно удалить из воды весь растворенный в ней воздух.

Процесс растворения подчиняется принципу Ле Шателье (1884): если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла. При этом, в соответствии с принципом Ле Шателье, растворимость газов уменьшается. Это уменьшение тем заметнее, чем выше растворимость газов: такие газы имеют и большую теплоту растворения. «Мягкий» вкус кипяченой или дистиллированной воды объясняется отсутствием в ней воздуха, поскольку его растворимость при высокой температуре весьма мала. Но при кипячении воды нарушается равновесие из-за улетучивания из неё газов, поэтому кипяченая вода, чтобы восстановить его, снова поглощает эти газы из воздуха. Поэтому на практике, растворимость многих газов в воде уменьшается до определённой предельной температуры (обычно 90 градусов по Цельсию), затем выше этой температуры растворимость газов в воде снова начинает возрастать.

Аквариумисты часто сталкиваются с таким явлением: при увеличении температуры воды рыбам становится труднее дышать, они поднимаются к поверхности и заглатывают воздух. Это как раз и связано с уменьшением растворимости кислорода. И растениеводом не рекомендуется поливать цветы кипячёной водой также по этой причине.

Таблица. Растворимость газов в 100 г воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°C

Таблица 2. Растворимость кислорода в 100 г воды при нормальном атмосферном давлений и различных температурах

Однако растворение газов в органических жидкостях нередко сопровождается поглощением теплоты; в подобных случаях с ростом температуры до определённого момента растворимость газа увеличивается.

С ростом давления растворимость газов увеличивается. Согласно закону Генри (1803), масса газа, который может раствориться в данном объеме жидкости при постоянной температуре, пропорциональна его давлению.

Закон Генри может быть выражен уравнением

где С - массовая концентрация газа в насыщенном растворе; р- парциальное давление; k-коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри (или коэффициентом Генри).

Это свойство используется для приготовления газированных напитков. Углекислый газ растворяют в жидкости при давлении 3–4 атм.; в этих условиях в данном объеме может раствориться в 3–4 раза больше газа (по массе), чем при 1 атм. Когда емкость с такой жидкостью открывают, давление в ней падает, и часть растворенного газа выделяется в виде пузырьков. Аналогичный эффект наблюдается при открывании бутылки шампанского или выходе на поверхность подземных вод, насыщенных на большой глубине углекислым газом.

Вообще, при растворении газа в жидкости устанавливается равновесие:

Газ + Жидкость = Насыщенный раствор газа в жидкости

При этом объем системы существенно уменьшается. Следовательно, повышение давления должно приводить к смещению равновесия вправо, т. е. к увеличению растворимости газа. И наоборот, уменьшение давления (создание вакуума) должно приводить к уменьшению растворимости газов в воде. Вот Вам второй способ уменьшить растворимость газов в воде – создание разрежения в ёмкости.
Влияние повышения давления на растворимость газа в воде видно из следующего примера. В системе водяного отопления восьмиэтажного здания (высота системы 23 м) наибольшая растворимость воздуха в воде наблюдается при температуре при температуре 95 °С

К этому же выводу можно прийти, исходя из динамического характера равновесия между газом и его раствором в жидкости. Молекулы газа, находящиеся над жидкостью в закрытом сосуде, бомбардируют поверхность жидкости и растворяются в жидкости со скоростью, пропорциональной концентрации газа. Перешедшие в раствор молекулы в свою очередь время от времени ударяются о поверхность жидкости изнутри и вылетают наружу. По мере того как в результате растворения концентрация растворенных молекул будет увеличиваться, скорость их выделения, т. е. число молекул, уходящих из раствора в единицу времени, тоже будет расти, пока, наконец, не сравняется со скоростью растворения. В результате установятся состояние равновесия, т. е. жидкость станет насыщенной газом.

Если теперь увеличить давление газа, например, в 2 раза, то во столько же раз увеличится и концентрация его молекул над жидкостью, а следовательно, и скорость растворения газа. Равновесие нарушится. Чтобы при новом давлении снова установилось равновесие, концентрация растворенных молекул, очевидно, тоже должна увеличиться вдвое.

Кроме вышесказанных методов удаления газов из воды кипячением воды и созданием вакуума имеются химические способы удаления газов из воды.

Чаще всего в процессе водоподготовки требуется удаление углекислоты, кислорода и сероводорода. Все три газа относятся к коррозийно-агрессивным газам, обусловливающим или усиливающим процессы коррозии металлов. Углекислота, кроме того, агрессивна по отношению к бетону. Свойство этих газов обусловливать и усиливать коррозийные процессы, а также неприятный запах, который сообщает воде сероводород, во многих случаях вызывают необходимость наиболее полного удаления их из воды.

Комплекс мероприятий, связанных с удалением из воды растворенных в ней газов, называется дегазацией воды.

Применяются химические и физические методы дегазаций воды.

Сущность первых заключается в использовании определенных реагентов, которые связывают растворенные в воде газы. Например, удаление из воды кислорода может быть достигнуто путем введения в нее сульфита натрия, сернистого газа или гидразина. Сульфит натрия при введении его в воду окисляется растворенным в воде кислородом до сульфата натрия:

2Na 2 SO 3 + О 2 -> 2Na 2 SO 4 .

В случае применения сернистого газа образуется сернистая кислота:
SO 2 + Н 2 О -> H 2 SO 3 ,

которая кислородом, растворенным в воде, окисляется до серной кислоты:
2H 2 SO 3 + O 2 -> H 2 SO 4 .

Химическим реагентом, при помощи которого удается достичь практически полного удаления из воды кислорода, является гидразин. При введении его в воду происходит связывание кислорода и выделение инертного азота:

N 2 H 4 + O 2 -> 2H 2 O + N 2 .

Последний химический способ удаления из воды кислорода является наиболее совершенным, но вместе с тем и наиболее дорогим ввиду высокой стоимости гидразина. Поэтому этот способ применения в основном для окончательного удаления кислорода из воды после физических методов удаления кислорода.

Примером химического метода удаления из воды сероводорода может служить обработка воды хлором:

а) с окислением до серы:
H 2 S + Н 2 О -> S + 2HCl;

б) с окислением до сульфатов:
H 2 S + 4 Н 2 О -> H 2 SO 4 + 8HCl

Эти реакции (так же как промежуточные реакции образования тиосульфатов и сульфитов) протекают параллельно в определенных соотношениях, зависящих в первую очередь от концентрации хлора и рН воды.

Химическим методам удаления газов из воды свойственны следующие недостатки:
а) необходимость применения реагентов, усложняющих и удорожающих процесс обработки воды;
б) возможность ухудшения качества воды при нарушении дозировки реагентов.

Вследствие этого химические методы удаления газов из воды применяются значительно реже физических.

Физические методы удаления из воды растворенных газов могут осуществляться двумя способами:
1) вода, содержащая удаляемый газ, приводится в соприкосновение с воздухом, если парциальное давление удаляемого газа в воздухе близко к нулю;
2) создаются условия, при которых растворимость газа в воде становится близкой к нулю.

При помощи первого способа, т. е. при помощи аэрации воды, обычно удаляются свободная углекислота и сероводород, поскольку парциальное давление этих газов в атмосферном воздухе близко к нулю.

Ко второму способу обычно приходится прибегать при удалении кислорода из воды, так как при значительном парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе аэрацией воды кислород из нее удалить нельзя. Для удаления из воды кислорода ее доводят до кипения, при котором растворимость всех газов в воде падает до нуля. Вода доводится до кипения либо ее нагреванием (термические деаэраторы), либо путем понижения давления до такого значения, при котором вода кипит при данной ее температуре (вакуумные дегазаторы).

Так что методов дегазации воды существует много. Относительно льда, то в настоящее время известно 14 структурных модификаций льда и возможно, в дальнейшем учёные откроют и другие модификации льда. Две последние модификации льда - XIII и XIV - открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора - соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

Табл. 3. - Некоторые данные о структурах модификаций льда

Среди модификаций льда есть и кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Известен лёт и гексагональной, и кубической, и тригональной, и тетрагональной, моноклинной конфигурации. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной решётке, образуются в условиях экзотических - при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров - это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда. Но самое необычное свойство льда - это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки льда или гигантских ледниковых масс.

Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H 2 O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас. Молекулу воды можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, поэтому их называют неподеленными.

Рис. Структура льда.

Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, - поэтому вода тяжелее льда.

Следует признать, что самый обычный лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, - самое привычное, но всё же до конца не изученное вещество.

С уважением,
К.х.н. О.В. Мосин

Растворимость газов в воде. Растворенные газы в воде и их коэффициенты растворимости.

Нам известно, что многие газы могут растворяться в воде. К примеру, рыбы, как и множество других водных обитателей, дышат растворенным в воде кислородом. Морские водоросли особенно активно разрастаются в прибрежных зонах, насыщенных растворенным в воде углекислым газом, который необходим для протекания фотосинтеза. Взгляните на газы, растворимые в воде. В таблице приведен коэффициент рсрастворимости Растворенный в воде газ присутствует в жизни практически какждого из нас, ведь сложно найти человека, который откажется от охлажденного газированного напитка, в котором любезно растворили CO2. Подобных глобальных примеров растворения газа в воде очень много, как и газов, которые немедленно начнут растворятся в воде при контакте с ней.

Таблица №1 «Коэффициенты растворимости газов в воде»

Растворимость – это такой баланс, при котором количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению в газообразной фазе над поверхностью воды. Если нам известно атмосферное давление и соответствующая концентрация газа, то можно вычислить максимальную концентрацию растворенного в воде газа, умножив значение парциального давления газа на расчетный коэффициент растворимости из таблици №1.

Примеры расчета содержания растворенных газов в воде

Пример №1 «Колличественная оценка содержания кислорода и азота, растворенных в воде»:

Классический пример, когда атмосферный воздух вступает с водой в реакцию, сопровождающуюся растворением основных его компоенетов.

1. Подсчитываем кислород O 2 : концентрация 20.9 объемн. % кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар (750 мм. ртутного столба) создают парциальное давление 0.209 бар (0.0209 МПа), таким образом, получаем числовое значение:

0.031 x 0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода O 2 растворены в 1 литре воды.

2. Подсчитываем азот N 2 : при создаваемом парциальном давление 0.791 бар N 2) азот растворяется хуже кислорода, выражение:

0.016 x 0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл. азота N2 содеожится в 1 л. воды.

Мы только что получили данные по составу и насущению кислродом большиснва пресных водемво и рек россиии.

Пример №2 «Расчет содержания растворенного углекислого газа в газированной воде»:

Газировка производится посредством растворения в воде CO 2 под давлением около 2 бара (0,2 МПа). Этих данных достаточно, что бы вычислить содержание CO 2 в заданной жидкости, принятой за минеральную воду.

0.879 x 2 = 1.75 л CO 2 растворенны в 1 литре газированной воды.

Как вы могли заметить, из таблицы и примеров, некоторые газы растворяются в воде очень быстро и эффективно. Именно поэтому в качестве мер безопасности широко распространено использование водяных распылителей, создание “водяных завес”, например, для снижения угрозы здоровью при выбросах значительных объемов аммиака, HCl и других токсичных газов.

Помните, что растворимость во многом зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше газа можно в ней растворить. По этой причине для растворения загрязняющих газов в воздухе их пропускают сквозь холодную техническую воду, Нагревание такого раствора с газами, сопровождается десорбцией и высвобождением всех растворенных газообразных компонентов до полного испарения основы (воды).Обладая подобной информацией, проектировщики систем безопасности выбирают наиболее подходящие для комплектации модели приборов, обозначая на схеме их предварительные места установки и требуемое количество.

Отсюда вывод : избегайте условий образования конденсата при монтаже датчиков! Влага внутри прибора коварна даже в небольших малозметных колличествах. Применяйте специальные аксессуары и опции для дополнительной защиты газоанализатора от внешних воздействий - брызгозащитные комлекты, антибликовые козырьки, термокожухи, модули защиты от насекомых и т.д.

Cтраница 2

Растворимость воздуха в масле до насыщения зависит от сорта масла, уменьшаясь с увеличением плотности последнего.  

Растворимость воздуха в масле зависит от температуры, увеличиваясь линейно с увеличением последней.  

Растворимость воздуха в бензине при 20 на земле, % объемн.  

Растворимость воздуха в керосинах мало зависит от их состава, содержания растворенной воды и свойств. Различие в растворимости воздуха (газов) связано с поверхностным натяжением топлив.  

Растворимость воздуха в реактивных топливах неодинакова и зависит от молекулярного веса составляющих углеводородов, плотности, вязкости, поверхностного натяжения, а также содержания в топливах воды.  

Растворимость воздуха в воде уменьшается с повышением температуры. При нагревании воды выделяется растворенный в ней воздух. Объемные соотношения кислорода и азота в этом растворенном воздухе будут другие, нежели это имеет место в обычном воздухе.  

Растворимость воздуха в нефтепродуктах уменьшается с их увеличением поверхностного натяжения. Растворимость воздуха в парафиновых углеводородах более высокая, чем в ароматических.  

Растворимость воздуха незначительно меняется от температуры и значительно больше от давления. Поэтому при низких давлениях начинает выделяться воздух. Газ, выделившийся пз керосина, более богат кислородом, чем воздух, и содержит около 32 6 % кислорода, в то время как в воздухе содержится около 21 % кислорода. Это повышает взрывоопасноеть топлива в баках.  

Растворимость воздуха в керосине зависит от поверхностного натяжения и уменьшается с его увеличением. На растворимость не влияют плотность и фракционный состав. Растворимость газов в углеводородах, использующихся как горючее в ракетных двигателях, отрицательно сказывается в условиях эксплуатации, увеличивает возможность возникновения кавитации в насосах, вызывает вскипание компонентов в баках при понижении давления и увеличивает испаряемость топлива прл дренировании баков. При уменьшении давления в баке в случае растворения воздуха образуется газовая смесь, содержащая большую долю кислорода, чем воздуха. Это создает опасность взрыва или вспышки газовой смеси в объеме над уровнем жидкости.  

Растворимость воздуха в минеральных маслах зависит от сорта масла, уменьшаясь с увеличением его плотности.  

Растворимость воздуха в топливах уменьшается при понижении внешнего давления. По мере подъема самолета выделяющийся воздух выходит из баков самолетов, захватывая с собой и пары топлива. Выделение воздуха из топлива в баках при большой скорости подъема самолетов может запаздывать, что сопровождается интенсивным выделением воздуха в топливной системе. Образование паровоздушных пузырьков ведет к возникновению кавитации.  

§ 260. Растворение газов.

Кроме адсорбции на поверхности (§ 258), при соприкосновении тел (например, двух жидкостей или газа и жидкости) молекулы каждого из них могут проникать в объем, занимаемый другим телом. Это проникновение носит название растворения. В результате растворения растворенное тело равномерно распределяется по объему растворителя и только в поверхностном слое в силу адсорбции концентрация проникшего вещества может быть повышенной. Явление растворения есть результат диффузии (§217) по всему объему вещества, адсорбированного в поверхностном слое.

Рассмотрим сначала растворение газов в жидкостях. Нальем в стакан воды из водопровода. Мы увидим, что из воды выделится множество мельчайших пузырьков, которые поднимутся вверх или удержатся около стенок стакана. Откуда взялись эти пузырьки и что в них находится? Это - газы, которые при повышенном давлении, всегда существующем в водопроводных трубах, были растворены в воде в значительном количестве. При...

0 0

Кислород вместе с другими газами, входящими в состав воздуха, легко растворяется в воде.

Сколько же воздуха может раствориться в воде? Говорить о растворимости воздуха в целом нельзя, нужно говорить о растворимости каждой составной части воздуха в отдельности.

Кислород, азот, аргон, двуокись углерода и другие газы обладают различной растворимостью. При одинаковых температуре и давлении чистого кислорода в воде растворится почти в 2 раза больше, чем азота, а углекислого газа - в 35 раз больше, чем кислорода.

Однако существуют общие закономерности для всех газов. Чем выше температура жидкости, тем меньше растворимость газов. В литре чистой воды при нормальном атмосферном давлении, равном 760 миллиметрам ртутного столба, и при температуре 0° растворяется около 50 кубических сантиметров чистого кислорода. А при температуре 30° - примерно в 2 раза меньше. Чистого азота при температуре 0° и нормальном атмосферном давлении растворится 24 кубических сантиметра, а при...

0 0

Во-первых ни то, ни другое - "сохранится".
Спорить с Р. Ахметовым не буду, ибо подобным вопросом никогда не занимался. Но по-моему воздух в воде естественных водоёмов растворяется с поверхности, т. е. при атмосферном давлении. Соответствующая этому концентрация будет и в 20-мовой глубине. куда опущен колокол. Но там воздух под колпаком имеет давление в 2 избыточных атмосфер; значит, возникают условия для ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО растворения воздуха - количество воздуха под колоколом уменьшится.. .
Во всяком случае это дело я представляю себе так.

Rafael ahmetovВысший разум (120806) 2 года назад

Да, Вы совершенно правы. Я упустил из виду глубину, на которую предполагается опустить колокол. Конечно, из-за избыточного давления воздуха вода, соприкасающаяся с воздухом в колоколе, растворит некоторое дополнительное количество газов.
Мне стало любопытно, и я произвел некоторые прикидки. К удивлению оказалось, что различные справочники дают совершенно...

0 0

Вода без воздуха (газов)

Здравствуйте. Меня интересует следующий вопрос. Возможно ли в домашних условиях избавить воду от воздуха (газов)? И может «чистая вода» (Н2О), без других молекул, а, в частности, без воздуха (газов) кристаллизироваться (лед)? Спасибо заранее за ответ и замечательно-познавательный сайт:). Александр

Здравствуйте, уважаемый Александр. Большое спасибо за Ваш интерес к нашему сайту. Как известно из химии, существование абсолютно чистых веществ невозможно в природе – всякое вещество обязательно содержит примеси. Если имеющиеся в веществе примеси в пределах точности описания системы не оказывают влияния на изучаемые свойства, можно считать систему однокомпонентной; в противном случае гомогенную систему считают раствором.

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств.

Раствор может иметь...

0 0

ЧПЪДХИ Ч ЧПДЕ

ъДТБЧУФЧХКФЕ, БУЛНЙЮБОЕ! оЕ НПЗМЙ ВЩ ЧЩ РПНПЮШ ТБЪЯСУОЙФШ ПДЙО ЧПРТПУ: РПЮЕНХ ЧПЛТХЗ МПРБУФЕК ЧЙОФПЧ ЛПТБВМЕК ПВТБЪХАФУС РХЪЩТЙ ЧПЪДХИБ (ЙМЙ ОЕ ЧПЪДХИБ?)?

пФЧЕФЙФШ

чПЛТХЗ МАВПЗП ФЕМБ, ДЧЙЦХЭЕЗПУС Ч ЧПДЕ УП УЛПТПУФША, РТЕЧЩЫБАЭЕК ОЕЛПФПТЩК РПТПЗ, ЧПЪОЙЛБАФ ФБЛ ОБЪЩЧБЕНЩЕ ЛБЧЙФБГЙПООЩЕ РХЪЩТЙ. рТЙЮЙОБ ЙИ ЧПЪОЙЛОПЧЕОЙС- УДЧЙЗПЧБС ЧСЪЛПУФШ ЧПДЩ. вЩУФТП ДЧЙЦХЭЕЕУС ФЕМП ЧПЧМЕЛБЕФ Ч ДЧЙЦЕОЙЕ РТЙМЕЗБАЭЙК УМПК ЧПДЩ ФБЛ, ЮФП ПО ДЧЙЦЕФУС У ОЕЛПФПТПК УЛПТПУФША ПФОПУФЙФЕМШОП ДТХЗЙИ, ВПМЕЕ ДБМЕЛЙИ УМПЕЧ. нЕЦДХ УМПСНЙ УХЭЕУФЧХЕФ ЧСЪЛПЕ ФТЕОЙЕ Й, ЛБЛ УМЕДУФЧЙЕ, ХРТХЗЙЕ ОБРТСЦЕОЙС. ьФЙ ОБРТСЦЕОЙС, РТЕЧЩУЙЧ ОЕЛПФПТЩК РПТПЗ, ЧЩЪЩЧБАФ ТБЪТЩЧ УРМПЫОПУФЙ ЦЙДЛПУФЙ, ЮФП РТПСЧМСЕФУС Ч ЧЙДЕ ИБТБЛФЕТОЩИ РХЪЩТЕК. чТЕНС ЦЙЪОЙ ЙИ НБМП, ОП ЦЙЪОШ ЬФБ ЪБНЕЮБФЕМШОБС:) чПЧОХФТШ РХЪЩТЕК ЙУРБТСЕФУС ЧМБЗБ Й ЗБЪ, ТБУФЧПТЕООЩК Ч ЧПДЕ, ФБЛ ЮФП ПОЙ ОЕ РХУФЩЕ. оП ЪБЛПОЩ ЙИ ЦЙЪОЙ ФБЛПЧЩ, ЮФП ЮЕТЕЪ ОЕЛПФПТПЕ, ПЮЕОШ ЛПТПФЛПЕ ЧТЕНС ПОЙ УИМПРЩЧБАФУС. рТЙ ЬФПН ЧПЪОЙЛБЕФ ИБТБЛФЕТОЩК ЛБЧЙФБГЙПООЩК...

0 0

Растворы. Растворимость

Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.

Растворы не отстаиваются и сохранятся все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц...

0 0

В предыдущих статьях были рассмотрены различные вопросы по поводу химии воды. Некоторые темы, например азотный цикл, достаточно часто встречаются в литературе на тему аквариумистики, другие же вопросы разъясняются в деталях довольно редко. Я почему-то уверен, что тема данной статьи – Растворенный Кислород - одна из не часто обсуждаемых. Уровень кислорода, необходимый для жизни аквариумных жителей и растений легко поддерживать без особых затрат и супер оборудования. Тем не менее, кажется, почти каждый раз, когда в аквариуме массово гибнет рыба, это связано с нехваткой кислорода.

Кислород очень важен для большого количества водных жителей, включая растения, бактерий, водоросли, рыб и беспозвоночных. Его используют для понижения уровня сахара в азотном цикле, что позволяет высвобождать из молекул сахара большое количество энергии. Когда организм задыхается нехватка кислорода влияет на каждый телесный процесс, который требует выработки энергии, как бы замедляя его.

Подготовка...

0 0

Аэрация аквариума

Продувание воды воздухом - давнее изобретение аквариумистов, позволяющее содержать в маленьком водоеме большее число рыб. Как известно, газы могут растворяться в жидкостях, например, воздух растворяется в воде, проникая через ее поверхность. Азот, составляющий большую часть воздуха, не используется ни животными, ни растениями и в данном примере не влияет на различные процессы. А вот кислород необходим для дыхания как рыбам, моллюскам, живым кормовым организмам, так и растениям. Часть кислорода, растворенного в воде, появляется благодаря растениям, производящим его на свету, но у всех живых организмов дыхание происходит непрерывно, круглые сутки. Из-за этого в ночное время концентрация кислорода в аквариуме заметно ниже дневной.

В воде концентрация кислорода существенно зависит и от температуры. С ее повышением растворимость всех газов снижается: прохладная вода лучше насыщена кислородом, теплая, наоборот, хуже. Для живых существ проблема усугубляется еще и...

0 0

6.2.4. Растворенный кислород

Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами » ...

6.2.4. Растворенный кислород

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием...

0 0

10

Для очистки и обеззараживания воды озон, полученный в генераторе, необходимо растворить в обрабатываемой воде. Все известные способы растворения озона в воде основаны на разбиении газового потока, содержащего озон (озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь) на мельчайшие пузырьки. Последние, совершая движение в потоке воды, обеспечивают переход озона из газообразного состояния в раствор. Этот переход озона через границу раздела газовой и жидкой фазы называется массопереносом озона в воду.

Лишь часть озона из газового потока переходит в раствор и участвует в окислительно-восстановительных реакциях и обеззараживает воду. Оставшаяся часть озона не растворяется и выделяется из воды в воздух (избыточный газ).

Часть озона, растворенного в воде, выраженная в процентах по отношению к общему количеству озона, подмешиваемому в воду, называется эффективностью массопереноса ЭМП и определяется следующей формулой:

СО3 ГО х VГФ - СО3 ИЗБ х VИЗБ

0 0

11

§7.6 Растворы. Как происходит растворение. Насыщенные растворы.

§7.6. Растворы. Как происходит растворение. Насыщенные растворы

Если в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это – растворы.

Растворы не отстаиваются и сохраняются все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцовокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул или...

0 0

12

3.7. "ХОЛОДНЫЙ КИПЯТОК"

Получать воду, обладающую большим запасом потенциальной энергии, можно не только путем замораживания. Закипевшая и быстро охлажденная вода в условиях, исключающих доступ атмосферного воздуха, обладает биологической активностью, превышающей в 5-6 раз активность обычной воды и в 2-3 раза снеговой, или талой. Приготовленная таким образом вода дегазируется и не успевает насытиться газами.
"Холодный кипяток" повышает работоспособность, успокаивающе воздействует на нервную систему, быстро впитывается в кожу, смягчает ее. Принимая дегазированную воду, человек легче переносит летнюю жару.
Получить дегазированную воду несложно. Необходимо налить воду в эмалированный чайник и вскипятить, но с открытой крышкой, благо-ларя чему удаляется растворенный в воде воздух. Вскипевшую воду быстро налить в эмалированную кружку и плотно закрыть. Это для того, чтобы воздух вновь не растворился в воде. Затем поставить кружку в блюдо под проточную воду (для...

0 0

13

М.Н. Ильин
Аквариумное рыбоводство

------
Кислород.
Для разных рыб в отдельные периоды их жизни требуется различное количество кислорода, растворенного в воде.

В воде, бедной кислородом, могут жить и нормально развиваться только рыбы, способные использовать для дыхания атмосферный воздух. К ним из рыб, содержащихся в аквариумах, относятся все лабиринтовые, панцирные сомики, вьюны и змееголовы.

Однако подавляющее большинство аквариумных рыб нуждаются в определенном количестве кислорода, растворенного в воде. Снижение количества кислорода ниже допустимых границ может привести к заболеванию и гибели рыб.

В аквариуме, предназначенном для выращивания молоди, может создаться такое положение, при котором рыбы будут вести себя обычно, однако рост их замедлится или прекратится совершенно. Падение содержания кислорода от оптимального до его дефицита вызывает снижение количества поедаемого корма, что, как правило, ведет к задержке или к остановке роста рыб,...

0 0

14

Растворенные в воде газы

Газы, из которых состоит воздух, мы находим в воде в других концентрациях: азот, кислород, аргон и двуокись углерода (см. таблицу па стр. 25). Газообразный азот растворяется в воде согласно физическим законам для газов. Он не участвует в химических реакциях, но принимает участие в биологических процессах. Так же пассивно ведет себя инертный газ аргон.

Кислород, необходимый для всех жизненных процессов, следует тем же физическим законам, что и азот. Кислород вступает в интенсивный биологический цикл и является газом для дыхания, всех живых существ за исключением некоторых бактерий. Двуокись углерода, напротив, участвует как в химических, так и в биологических процессах.

Между водой, грунтом и атмосферой происходит постоянный газовый обмен

Газообмен между водой и атмосферой происходит преимущественно на поверхности воды. Газы, такие, как CO2, выделяются из недр Земли и также поглощаются водой. Если вода вытекает из...

0 0