Вода с молекулой росы

Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов

Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.

В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.

Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.

Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.

При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.

Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.

Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.

Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы

Источник

Молекула воды: строение в различных агрегатных состояниях

Модель строения воды

Молекула воды включает два атома водорода (Н) и один атом кислорода (О). Элементы, из которых состоит жидкость, определяют всю функциональность и особенности. Модель молекулы воды имеет форму треугольника. Вершину этой геометрической фигуры представляет крупный элемент кислорода, а внизу находятся небольшие атомы водорода.

Молекула воды обладает двумя положительными и двумя отрицательными полюсами зарядов. Отрицательные заряды формируются из-за излишка электронной плотности у атомов кислорода, а положительные – из-за нехватки электронной плотности у водорода.

Неравномерное распределение электрических зарядов создает диполе, где диполярный момент составляет 1,87 дебай. Вода обладает способностью растворять вещества, поскольку ее молекулы пытаются нейтрализовать электрическое поле. Диполя приводят к тому, что на поверхности погруженных в жидкость веществ становятся слабее межатомные и межмолекулярные связи.

Вода отличает большой устойчивостью при растворении прочих соединений. В обычных условиях из 1 млрд молекул только 2 распадаются, а протон переходит в строение иона гидроксония (образуется при растворении кислот).

Вода не меняет свой состав при взаимодействии с другими веществами и не влияет на структуру этих соединений. Такая жидкость считается инертным растворителем, что особо важно для живых организмов. Полезные вещества поступают к различным органам через водные растворы, поэтому важно, чтобы их состав и свойства оставались неизменными. Вода сохраняет в себе память о растворенных в ней веществах и может применяться многократно.

Каковы особенности пространственной организации молекулы воды:

• Соединение проводится противоположными зарядами;
• Появляются межмолекулярные водородные связи, которые исправляют электронную неполноценность водорода с помощью дополнительной молекулы;
• Вторая молекула фиксирует водород по отношению к кислороду;
• Благодаря этому образуются четыре водородные связи, которые могут контактировать с 4 соседями;
• Такая модель напоминает бабочку и имеет углы равные 109 градусам.

Атомы водорода соединяются с атомами кислорода и образуют молекулу воды с ковалентной связью. Водородные соединения более сильные, поэтому, когда они разрываются, то молекулы присоединяются к другим веществам, способствуя их растворению.

Прочие химические элементы, в состав которых входит водород, замерзают при -90 градусах, а закипают при 70 градусах. Но вода становится льдом, когда температура достигает нуля, а закипает при 100 градусах. Чтобы объяснить такие отклонения от нормы, требуется разобраться, в чем особенность строения молекулы воды. Дело в том, что вода – это ассоциированная жидкость.

Это свойство подтверждается и большой теплотой парообразования, что делает жидкость хорошим энергоносителем. Вода – отличный регулятор температуры, способен нормализировать резкие перепады этого показателя. Теплоемкость жидкости повышается, когда ее температура 37 градусов. Минимальные показатели соответствуют температуре человеческого тела.

Относительная молекулярная масса воды составляет 18. Рассчитать этот показатель достаточно легко. Следует заранее ознакомиться с атомной массой кислорода и водорода, которая равна 16 и 1 соответственно. В химических задачах нередко встречается массовая доля воды. Этот показатель измеряется в проценте и зависит от формулы, которую требуется рассчитать.

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях воды

В жидком состоянии молекула воды состоит из моногидроля, дигидроля и тригидроля. Количество этих элементов зависит от агрегатного состояния жидкости. Пар включает одну H₂O – гидроль (моногидроль). Две H₂O обозначают жидкое состояние – дигидроль. Три H₂O включает лед.

Агрегатные состояния воды:

1. Жидкое. Между одиночными молекулами, которые связаны водородными связями, располагаются пустоты.
2. Пар. Одиночные H₂O никак не соединяются между собой.
3. Лед. Твердое состояние отличается прочными водородными связи.

При этом существуют переходные состояния жидкости, например, при испарении или замерзании. Для начала требуется разобраться, отличаются ли молекулы воды от молекул льда. Так замерзшая жидкость имеет кристаллическую структуру. Модель льда может иметь форму тетраэдр, тригональной и моноклинной сингонии, куба.

Обычная и замерзшая вода отличаются плотностью. Кристаллическая структура приводит к меньшей плотности и увеличению объема. Основное различие между жидким и твердым состоянием – это количество, сила и разновидность водородных связей.

Состав не меняется ни в одном агрегатном состоянии. Отличается строение и движение составных частей жидкости, сила связей водорода. Обычно молекулы воды слабо притягиваются друг к другу, размещаются хаотично, поэтому жидкость такая текучая. Лед отличается более сильным притяжением, так как создается плотная кристаллическая решетка.

Многих интересует, одинаковы ли объемы и состав молекул холодной и горячей воды. Важно запомнить, что состав жидкости не меняется ни в одном из агрегатных состояний. Молекулы при нагревании или остывании жидкости отличаются расположением. В холодной и горячей воде разные объемы, так как в первом случае структура упорядоченная, а во втором – хаотичная.

Когда лед тает, то его температура не меняется. Только после того, как жидкость меняется свое агрегатное состояние, показатели начинают подниматься. Для таяния требуется определенное количество энергии, которое называется удельной теплотой плавления или лямбда воды. Для льда показатель равен 25000 Дж/кг.

Твердое состояние воды

Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.

Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.

Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.

Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде солей снижает температуру замерзания.

На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос: какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ – ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия. Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду, отбирая у нее тепло.

Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете — жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов) находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.

Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0 градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8 градусах Цельсия.

Жидкое состояние воды

Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.

Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса питьевой воды.

Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко делает влажными большинство твердых материалов.

Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и давление.

Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.

Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее микроскопических капелек.

Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется, когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар» часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных капель, образующихся при конденсации водяного пара.

И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое.

Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.

Состояние газа

Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение, что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не верно.

Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же, как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е. в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.

Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии образует облака и тучи

Агрегатные состояния воды — переходные процессы

Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:

• Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;
• Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;
• Кристаллизация — переход жидкости в лед;
• Плавление – переход льда в жидкость;
• Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
• Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега 🙂

Вода всегда вокруг нас

Водный баланс – это основа жизни на нашей планете. Большая её часть на Земле – это океаны и моря. В них сосредоточено 97% данного вещества. Остальные 3 % – это реки, озёра, пруды, подземные воды и парообразная вода в атмосфере. Растения и животные для обеспечения своей жизнедеятельности ежедневно потребляют живительную влагу.

Вода – это составляющая часть организма человека. Каждая наша клетка больше чем наполовину состоит из этой жидкости. Кровь, текущая в наших венах, – это на 82% вода. Мышцы и кожа содержат её 76%. Удивительно, но даже кости в своём составе имеют до 30% воды. Её наименьшее содержание в зубной эмали – всего 0,3%.

Общая масса воды на планете Земля – более 2 000 000 000 миллионов тонн.

Какие существуют 3 состояния воды в природе?

На вопрос «Что такое вода?» почти все без раздумий отвечают: «Это жидкость!». Ведь чаще всего мы привыкли видеть жидкое состояние воды в природе. Но на самом деле она может иметь разные формы, кардинально отличающиеся одна от другой.

Вода бывает в трёх состояниях:

• жидкая форма;
• парообразное состояние;
• твёрдая агрегатная форма — лёд.

Лёд – вода в твёрдом виде

Н2О из жидкого переходит в твёрдое агрегатное состояние при снижении температуры ниже 0 градусов по Цельсию. Интересно то, что почти все предметы при охлаждении уменьшаются в объёмах, а вода, наоборот, замерзая, расширяется. Если так она прозрачная и бесцветная, то при замерзании может приобретать белый цвет из-за попадания частичек воздуха внутрь льда.

Необычно, что при одной и той же кристаллической структуре лёд может иметь множество разнообразных форм. Твёрдое состояние воды в природе — это гигантские айсберги, блестящая корка льда на реке, белые хлопья снега, сосульки, висящие на крышах.

Лёд имеет огромное значение для хозяйственной деятельности человека и оказывает большое влияние на поддержание жизнедеятельности многих организмов. Например, при замерзании реки он выполняет защитную функцию, сохраняя водоём от дальнейшего промерзания, этим самым оберегая подводный мир.

Но также лёд может стать причиной разрушительных стихийных бедствий. Например, град, обледенение зданий и летательных аппаратов, промерзание почвы, ледяные обвалы.

В быту мы используем замёрзшую воду как хладагент, бросая небольшие кубики льда в напитки для их охлаждения. Подобным образом могут охлаждаться пищевые продукты и медицинские препараты.

Химические названия

Почему же воду назвали водой? Слово «вода» происходит от древнегерманского «мокрый, текучий». В химии могут встречаться разные названия этого соединения. Самые распространенные – гидроксид водорода и окись водорода. Также в химической литературе ее называют:

• монооксид дигидрофосфата;
• гидроксильная кислота;
• дигидромонооксид
• оксидан

Происхождение воды на планете

Возникновение воды на нашей планете является предметом научных споров. Существует 2 основные гипотезы:

1. Космическое происхождение. Часть учёных считают, что вода появилась вследствие падающих метеоритов, астероидов, которые содержали воду.
2. Земное происхождение. Другие учёные считают, что вода образовалась на Земле во время формирования, а не занесена с космоса.

Образование воды

Многих интересует, какая вода находится в реках, морях, под землей. Образовавшаяся миллиарды лет назад вода сконцентрировалась в океанах. Из океанов она испаряется и поднимается, где образуются облака. После долгого путешествия она возвращается на землю в виде осадков. Вода собирается и возвращается через реки обратно в море. Часть просачивается в почву и попадает в грунтовые воды. Там формируются новые источники, которые текут в море.

В более холодном климате вода остается на ледниках, которые очень медленно, стекают к более низким высотам, где и тают. В полярных регионах этот механизм скольжения настолько медленный, что в ледниках можно найти воду, попавшую на поверхность Земли десятки тысяч лет назад. Вот откуда берется в природе вода.

Наука о воде

Изучением природных вод, явлений и процессов занимается наука Гидрология.

Первые упоминания о гидрологии появились на заре истории человечества около 6000 лет назад.

Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV–XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о свойствах воды, наводнениях, паводках, замерзании.

Значение на Земле

Без воздуха человек может прожить несколько секунд, без еды – несколько месяцев, без воды – максимум несколько суток. Снижение содержания воды в организме всего лишь на 2% может вызвать сильную слабость. При нехватке 8% уже может возникнуть серьезное недомогание, а при 12% – смерть.

Каждая клетка живого организма состоит из жидкости и нуждается в регулярном пополнении. Без воды не проживут ни люди, ни растения, ни животные.

Вода формирует климат, участвует в круговороте воды в природе, для многих живых организмов является средой обитания.

Эмпирическое правило Клечковского

Эмпирическое правило Клечковского и вытекающее из него схема очерёдностей несколько противоречат реальной энергетической последовательности атомных орбиталей только в двух однотипных случаях: у атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au имеет место «провал» электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома, а именно: после заполнения двумя электронами орбитали 6s следующий электрон появляется на орбитали 5d, а не 4f, и только затем происходит заселение четырнадцатью электронами орбиталей 4f, затем продолжается и завершается заселение десятиэлектронного состояния 5d. Аналогичная ситуация характерна и для орбиталей 7s, 6d и 5f.

Органолептические свойства воды

Сюда относятся показатели, которые возможно определить органами чувств. К ним относятся вкус, запах, цвет (цветность), мутность (прозрачность или непрозрачность). Часть параметров определяется не только с помощью носа, глаз, языка, но и на аналитическом оборудовании. Например, мутность и цветность определяют используя фотометр, а прозрачность — цилиндр и градировочную шкалу.

Характеризует вкусовые ощущения от попадания жидкости на рецепторы языка. Оценивается в баллах. иногда добавляют описание вкуса, помогающее оценить пригодность для питья, содержание специфических химических веществ.

Оценивают вкус только питьевой воды, к которой относится бутилированная и водопроводная. Некоторые лаборатории определяют вкус только бутилированной при условии предоставления запечатанной тары (бутылки). Это обусловлено заботой о безопасности сотрудников. Представьте себя на месте химика-аналитика, который вынужден пробовать жидкость из неизвестного источника. Курьезные случаи: список параметров анализа «сточки» содержал вкус. Разумеется, никто не пробовал канализационные стоки, это опасно.

Запах

Оценивает ощущения от вдыхания пара, образующегося над сосудом, содержащим исследуемую жидкость, через нос. Запах выражают баллами, которые характеризуют интенсивность запаха, а также указывают его характер, например:

• цветочный
• специфичный химический
• болотный
• затхлый
• свежести
• гнилостный

Выделяют специфические запахи химических соединений, например, хлора, сероводорода, фенола. По этой причине определение запаха предшествует определению других компонентов, помогает рассчитать коэффициент разбавления, скорректировать подготовку проб. Определять запах могут только сотрудники, прошедшие специальное обучение. Среди требований к помещению числится обеспечение отсутствия мешающих воздействий, включая цвет стен, а также отсутствие посторонних запахов.

Погрешность определению запаха добавляет использование неправильной тары для отбора. К ней относятся бутылки из-под газированных, ароматизированных напитков. Даже если тщательно вымыть такую тару запах все равно сохранится.

Цветность воды

Определяет изменение длины волны светового луча при прохождении через толщу раствора. Проще говоря, сосуд прямоугольной формы (длина большей стороны 1 или 5 сантиметров) заполняют исследуемым раствором, пропускают через него свет, изучают изменение этого света. Исследование проводят на оптическом приборе — фотометре или спектрофотометре. При проведении экспресс-анализа используют сравнение с стандартной шкалой. Это быстро, но не точно.

Чистая вода не имеет цвета, по крайне мере, его не видно, если толщина слоя менее метра. Цветность появляется если раствор содержит соединения, изменяющие окраску. К ним относятся органические вещества (гуминовые, органические красители), минеральные компоненты или их комплексы (большинство металлов образуют окрашенные соединения при взаимодействии с гидроксидом или анионами минеральных кислот). По величине цветности судят об общем содержании «цветных» соединений, отдельные группы не выделяют. Как правило, обращают внимание на специфическую окраску, которая помогает при проведении анализа. Например, ржавая говорит о высоком содержании железа, коричневая — признак гуминовых соединений, синие оттенки — выраженное химическое загрязнение.

Мутность

Показывает содержание едва заметных взвешенных частиц, которые снижают способность раствора пропускать свет. Это происходит за счет того, что взвесь отражает, рассеивает часть света, проходящего через слой жидкости. Мутность определяют экспресс-методом используя цилиндр с прозрачным дном и бумагу с нанесенным стандартным шрифтом. При таком определении параметр могут называть прозрачностью по шрифту. Мутность не выявляет конкретный компонент, то есть определить характер взвеси определяя только этот параметр невозможно. Он выявляет присутствие посторонних частиц, служит показанием к проведению дополнительных анализов или установке механического фильтра.

Источник