Презентация на тему «Вода и её свойства»

Слайд 1. Вода и её свойства

• Строение молекулы, физические и химические свойства воды и её роль в природе и жизни человека

Доклад: Тема нашей презентации — вода и её свойства. Это вещество кажется самым обыденным, но по своему поведению оно одно из самых необычных в природе. Сегодня мы разберём строение молекулы воды, её физические и химические свойства и роль в жизни планеты.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Вода как химическое соединение
• Строение молекулы и водородная связь
• Учёные, раскрывшие состав воды
• Хронология изучения воды
• Физические свойства воды
• Аномалии воды
• Почему лёд не тонет
• Агрегатные состояния воды
• Круговорот воды в природе
• Теплоёмкость воды и климат
• Вода как растворитель
• Химические свойства воды
• Жёсткость воды
• Обычная и тяжёлая вода
• Запасы воды на Земле
• Пресная вода и её дефицит
• Очистка и подготовка питьевой воды
• Вода в организме человека
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Работа построена от строения вещества к его практическому значению. Сначала мы посмотрим, из чего состоит вода и как устроена её молекула, затем перейдём к физическим аномалиям и химическим реакциям. Завершим разговор запасами пресной воды, её очисткой и ролью воды в организме человека.

Слайд 3. Введение

• Вода — самое распространённое вещество на поверхности Земли: гидросфера содержит около 1,39 млрд км³ воды и покрывает 71 % площади планеты.
• До конца XVIII века воду считали простым веществом, одной из четырёх стихий, поэтому доказательство её состава стало поворотным моментом химии.
• Свойства воды аномальны почти по всем показателям, и именно эти отклонения от нормы делают возможной жизнь в привычном нам виде.
• Знание свойств воды необходимо в химии, энергетике, водоподготовке, медицине и экологии — от расчёта теплоносителя до нормирования питьевой воды.

Доклад: Вода покрывает почти три четверти поверхности планеты, и общий объём гидросферы приближается к полутора миллиардам кубических километров. При этом до конца восемнадцатого века её считали простым веществом, одной из стихий. Понимание свойств воды сегодня нужно и химику, и энергетику, и врачу, и экологу.

Слайд 4. Вода как химическое соединение

• H₂O
• H — атом водорода: два атома в молекуле, 11,2 % её массы
• O — атом кислорода: один атом, 88,8 % массы молекулы
• M — молярная масса, 18,02 г/моль
• Название по номенклатуре — оксид водорода, связи ковалентные полярные

Доклад: Формула воды — аш-два-о: два атома водорода и один атом кислорода, связанных ковалентными полярными связями. Молярная масса составляет восемнадцать целых ноль две сотых грамма на моль. Обратите внимание на распределение массы: на кислород приходится почти восемьдесят девять процентов, а на водород — чуть более одиннадцати.

Слайд 5. Строение молекулы и водородная связь

• Валентный угол — угол H–O–H равен 104,45°, длина связи кислород–водород 0,096 нм.
• Полярность — из-за угловой формы молекула является диполем с моментом 1,84 дебая.
• Водородная связь — каждая молекула образует до четырёх связей с соседями, энергия одной около 20 кДж/моль.
• Ассоциация — связанные молекулы образуют подвижную сетку, отсюда высокие температуры плавления и кипения.
• Диэлектрическая проницаемость — 81 при 20 °C, поэтому вода ослабляет притяжение ионов в кристаллах солей.

Доклад: Молекула воды не линейная: угол между связями составляет сто четыре с половиной градуса, из-за чего центры зарядов не совпадают и молекула становится диполем. Каждая молекула способна образовать до четырёх водородных связей с соседями. Именно эта сетка связей объясняет почти все дальнейшие аномалии воды.

Слайд 6. Учёные, раскрывшие состав воды

• Генри Кавендиш, 1731–1810, В 1781 году получил воду сжиганием «горючего воздуха» в кислороде.
• Антуан Лоран Лавуазье, 1743–1794, В 1783–1785 годах доказал сложный состав воды и дал имя водороду.
• Жозеф Луи Гей-Люссак, 1778–1850, Вместе с Александром Гумбольдтом установил объёмное соотношение газов 2:1.

Доклад: Состав воды был установлен усилиями нескольких учёных за четверть века. Кавендиш в тысяча семьсот восемьдесят первом году получил воду при сжигании водорода, Лавуазье доказал, что вода — сложное вещество, и дал имя водороду. Гей-Люссак вместе с Гумбольдтом уточнил, что газы соединяются в объёмном отношении два к одному.

Слайд 7. Хронология изучения воды

• Путь от «стихии» к формуле занял более двух тысяч лет и завершился за четверть века опытов.
• Разложение воды раскалённым железом окончательно похоронило представление о её простоте.
• Открытие изотопов водорода показало, что «вода» — это целое семейство близких веществ.
• IV в. до н. э. — вода признана одной из стихий
• 1781 — Кавендиш синтезировал воду из газов
• 1783 — Лавуазье доказал сложный состав воды
• 1805 — установлено соотношение объёмов 2:1
• 1932 — открыт дейтерий и тяжёлая вода

Доклад: Путь от античного представления о воде как о стихии до формулы занял более двух тысяч лет. Решающими стали опыты конца восемнадцатого века, когда воду сначала синтезировали, а затем разложили раскалённым железом. Уже в двадцатом веке открытие дейтерия показало, что вода — это целое семейство изотопных разновидностей.

Слайд 8. Физические свойства воды

• Значения приведены для чистой воды при нормальном давлении 101,325 кПа.
• Почти каждый показатель аномально велик по сравнению с родственными соединениями.

Доклад: В таблице собраны основные физические характеристики чистой воды при нормальном давлении. Сравните температуры плавления и кипения воды и родственного ей сероводорода: разница достигает полутора сотен градусов. Теплоёмкость и теплота парообразования воды — рекордные величины, и это не случайность, а следствие водородных связей.

Слайд 9. Аномалии воды

• Максимальная плотность достигается не при замерзании, а при 3,98 °C и равна 1000 кг/м³.
• При кристаллизации объём растёт примерно на 9 %, поэтому лёд плавает, а трубы разрывает морозом.
• Температуры плавления и кипения на сотни градусов выше, чем у похожих гидридов серы и селена.
• Теплоёмкость и теплота парообразования аномально велики: вода запасает и отдаёт огромную энергию.
• Поверхностное натяжение 72,8 мН/м позволяет воде подниматься по капиллярам почвы и стеблям растений.

Доклад: Аномалий у воды больше, чем у любой другой распространённой жидкости. Главная из них — максимум плотности при температуре около четырёх градусов, а не в точке замерзания. Именно поэтому лёд плавает, водопроводные трубы рвёт морозом, а вода поднимается по капиллярам почвы вопреки силе тяжести.

Слайд 10. Почему лёд не тонет

• В кристалле льда каждая молекула связана водородными связями ровно с четырьмя соседями, образуя ажурную гексагональную решётку с пустотами.
• Плотность льда 917 кг/м³ против 1000 кг/м³ у воды, поэтому над поверхностью выступает лишь около одной десятой части айсберга.
• Ледяной покров работает как теплоизолятор: под ним водоёмы не промерзают до дна и сохраняют жизнь зимой.
• Известно более двадцати кристаллических модификаций льда, но в природных условиях Земли устойчив только гексагональный лёд.

Доклад: При кристаллизации молекулы выстраиваются в ажурную гексагональную решётку с пустотами, и объём увеличивается примерно на девять процентов. Плотность льда — девятьсот семнадцать килограммов на кубометр, поэтому над водой видна лишь десятая часть айсберга, как на снимке. Ледяной покров работает теплоизолятором и не даёт водоёмам промерзать до дна.

Слайд 11. Агрегатные состояния воды

• Вода — единственное вещество, встречающееся на Земле одновременно во всех трёх агрегатных состояниях. Переходы между ними происходят при обычных для планеты температурах.
• Лёд
• Снег
• Иней
• Град
• Пресная вода
• Морская вода
• Роса
• Грунтовые воды
• Водяной пар
• Влага воздуха
• Испарения

Доклад: Вода — единственное вещество, которое встречается на Земле одновременно во всех трёх агрегатных состояниях. В твёрдом виде это лёд, снег, иней и град, в жидком — воды океанов, рек и подземных горизонтов, в газообразном — водяной пар атмосферы. Переходы между состояниями идут при обычных для планеты температурах, и это делает возможным круговорот.

Слайд 12. Круговорот воды в природе

• Ежегодно с поверхности планеты испаряется около 577 тысяч км³ воды, и столько же возвращается осадками.
• Круговорот движет солнечная энергия: на испарение расходуется почти половина поступающего к Земле тепла.
• Полное обновление воды в реках занимает около 16 суток, в атмосфере — 8 суток, в Мировом океане — тысячи лет.
• Круговорот переносит тепло от экватора к полюсам и формирует климат целых материков.
• Испарение
• Конденсация
• Осадки
• Сток
• Инфильтрация

Доклад: Круговорот воды — замкнутый цикл из испарения, конденсации, выпадения осадков, стока и просачивания в грунт. Ежегодно испаряется около пятисот семидесяти семи тысяч кубических километров воды, и ровно столько же возвращается на поверхность. Двигатель этого процесса — солнечная энергия, а результат — перенос тепла и формирование климата.

Слайд 13. Теплоёмкость воды и климат

• Чтобы нагреть литр воды на один градус, требуется в пять раз больше энергии, чем для того же объёма песка.
• Океаны накапливают тепло летом и отдают зимой, поэтому приморский климат мягче континентального.
• На этом же свойстве основано применение воды как теплоносителя в отоплении и системах охлаждения.
• Испарение одного килограмма воды уносит 2260 кДж — так работает потоотделение и охлаждение градирен.
• 4,18 кДж/(кг·К) — удельная теплоёмкость воды

Доклад: Удельная теплоёмкость воды — четыре целых восемнадцать сотых килоджоуля на килограмм-кельвин, это в пять раз больше, чем у песка. Океаны запасают тепло летом и отдают его зимой, поэтому приморский климат заметно мягче континентального. На том же свойстве основано применение воды как теплоносителя в отоплении и охлаждении.

Слайд 14. Вода как растворитель

• Полярные молекулы воды окружают ионы и полярные частицы, образуя гидратные оболочки, — этот процесс называют гидратацией. Неполярные вещества с водой не взаимодействуют и от неё отделяются.
• Соли — хлорид натрия, нитрат калия
• Кислоты и щёлочи
• Сахара и спирты низших рядов
• Аммиак — до 700 объёмов на объём воды
• Жиры и растительные масла
• Керосин, бензин, парафин
• Полиэтилен и другие полимеры
• Сера, известняк, кварцевый песок

Доклад: Полярные молекулы воды окружают ионы, образуя гидратные оболочки, — так растворяются соли, кислоты, щёлочи, сахара и спирты. Неполярные вещества — жиры, керосин, парафин — с водой не взаимодействуют и образуют отдельный слой. Правило простое: подобное растворяется в подобном, и высокая диэлектрическая проницаемость воды делает её лучшим растворителем для ионных соединений.

Слайд 15. Химические свойства воды

• С активными металлами при обычных условиях: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
• С оксидами металлов и неметаллов даёт основания и кислоты: CaO + H₂O → Ca(OH)₂, SO₃ + H₂O → H₂SO₄
• Вызывает гидролиз солей слабых кислот и оснований, изменяя реакцию среды
• Разлагается электрическим током: 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑
• Ионное произведение воды 10⁻¹⁴, поэтому у нейтральной среды водородный показатель равен 7

Доклад: Вода — не только среда, но и активный реагент. С активными металлами она даёт щёлочь и водород, с оксидами — основания и кислоты, а соли слабых кислот подвергает гидролизу. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород, а её ионное произведение задаёт нейтральное значение водородного показателя, равное семи.

Слайд 16. Жёсткость воды

• Жёсткость создают растворённые соли кальция и магния, её измеряют в градусах жёсткости (1 °Ж = 1 мг-экв/л).
• Санитарные нормы допускают в питьевой воде не более 7 °Ж, для отдельных источников — до 10 °Ж.
• Временную жёсткость снимают кипячением, постоянную — содой, фосфатами или ионообменными фильтрами.
• 5,5 °Ж — Средняя
• Мягкая — до 2 °Ж
• Средняя — от 2 до 10 °Ж
• Жёсткая — свыше 10 °Ж

Доклад: Жёсткость воды создают растворённые соли кальция и магния, её измеряют в градусах жёсткости. Показанное на шкале значение пять с половиной градусов относится к средней зоне и укладывается в санитарную норму в семь градусов. Временную жёсткость убирают кипячением, постоянную — содой, фосфатами или ионообменными фильтрами.

Слайд 17. Обычная и тяжёлая вода

• Природная вода — смесь молекул с разными изотопами водорода. Замена лёгкого водорода на дейтерий заметно меняет физические свойства и биологическое действие вещества.
• Плотность 1,000 г/см³ при 4 °C
• Замерзает при 0 °C, кипит при 100 °C
• Основа всех биологических процессов
• Доля атомов дейтерия — около 0,0156 %
• Плотность 1,105 г/см³
• Замерзает при 3,8 °C, кипит при 101,4 °C
• Замедляет обмен веществ, в больших дозах вредна
• Применяется как замедлитель нейтронов в реакторах

Доклад: Природная вода — смесь изотопных разновидностей, доля атомов дейтерия в ней около полутора сотых процента. Тяжёлая вода плотнее обычной, замерзает при почти четырёх градусах и кипит при ста одном. Для живых организмов она вредна, зато незаменима в атомной энергетике как замедлитель нейтронов.

Слайд 18. Запасы воды на Земле

• Общий объём гидросферы — около 1,39 млрд км³, но пресная вода составляет лишь 2,5 % этого запаса.
• Более двух третей пресной воды заключено в ледниках, доступной человеку остаётся менее одного процента.

Доклад: Диаграмма показывает, как распределены запасы гидросферы: более девяноста шести процентов приходится на солёный Мировой океан. Пресная вода составляет лишь два с половиной процента, и большая её часть заперта в ледниках Антарктиды и Гренландии. Реально доступной человеку остаётся меньше одного процента всех запасов.

Слайд 19. Пресная вода и её дефицит

• Байкал хранит около 23 тысяч км³ воды — примерно пятую часть мировых запасов жидкой пресной воды поверхности суши.
• Пресной считают воду с минерализацией до 1 г/л; при её нехватке используют опреснение морской воды, что требует больших затрат энергии.
• Более двух миллиардов человек живут в районах с высоким водным стрессом, а неравномерность распределения запасов только усиливается.
• Основные пути решения — оборотное водоснабжение в промышленности, капельное орошение и очистка сточных вод.

Доклад: Байкал на снимке хранит около двадцати трёх тысяч кубических километров воды — это пятая часть мировых запасов жидкой пресной воды. Пресной считают воду с минерализацией до одного грамма на литр, и распределена она по планете крайне неравномерно. Более двух миллиардов человек уже живут в условиях водного стресса, поэтому оборотное водоснабжение и очистка стоков становятся необходимостью.

Слайд 20. Очистка и подготовка питьевой воды

• Природная вода почти всегда содержит взвеси, органику и микроорганизмы, поэтому подаётся потребителю только после подготовки.
• Порядок стадий определяется качеством источника: для подземных вод часть этапов может быть исключена.
• Коагуляция — реагенты укрупняют взвешенные частицы
• Отстаивание — хлопья оседают в отстойниках
• Фильтрование — вода проходит песчаную загрузку
• Обеззараживание — хлорирование, озонирование или ультрафиолет
• Контроль — проверка по санитарным показателям

Доклад: Природная вода почти всегда содержит взвеси, органику и микроорганизмы, поэтому проходит несколько ступеней подготовки. Сначала реагенты укрупняют частицы, затем хлопья оседают в отстойниках, вода фильтруется через песчаную загрузку и обеззараживается. Завершает цепочку лабораторный контроль по санитарным показателям.

Слайд 21. Вода в организме человека

• Вода — среда всех биохимических реакций, транспорт веществ и главный участник терморегуляции.
• 60 % — массы тела взрослого человека — у новорождённого доля воды достигает 75 %
• 2–2,5 л — суточная потребность — ориентировочно 30 мл на килограмм массы тела
• 20 % — смертельная потеря воды — уже утрата 10 % угрожает жизни

Доклад: Организм взрослого человека на шестьдесят процентов состоит из воды, у новорождённого эта доля доходит до семидесяти пяти. Суточная потребность — примерно два — два с половиной литра, то есть около тридцати миллилитров на килограмм массы тела. Потеря десятой части воды уже угрожает жизни, а пятой — смертельна.

Слайд 22. Выводы

• Вода — простое по составу, но исключительно сложное по поведению вещество: её свойства определяются полярностью молекулы и сеткой водородных связей.
• Аномалии плотности, теплоёмкости и поверхностного натяжения делают воду регулятором климата и условием существования жизни.
• Как универсальный растворитель и активный реагент вода участвует в большинстве природных и промышленных химических процессов.
• Запасы доступной пресной воды ограничены, поэтому её очистка, экономное использование и охрана становятся задачей мирового значения.

Доклад: Итак, вода проста по составу, но исключительно сложна по поведению: всё определяется полярностью молекулы и сеткой водородных связей. Её аномалии делают воду регулятором климата и обязательным условием жизни, а универсальная растворяющая способность — участником большинства химических процессов. При этом доступные запасы пресной воды ограничены, и бережное отношение к ним — задача мирового масштаба.

Слайд 23. Список литературы

• Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия : учебник для вузов / Н. С. Ахметов. — Москва : Высшая школа, 2001. — 743 с.
• Глинка, Н. Л. Общая химия : учебник / Н. Л. Глинка. — Москва : КноРус, 2019. — 752 с.
• Никаноров, А. М. Гидрохимия : учебник / А. М. Никаноров. — Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 2001. — 444 с.
• СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. — Москва, 2021.
• Угай, Я. А. Общая и неорганическая химия : учебник / Я. А. Угай. — Москва : Высшая школа, 2004. — 527 с.
• Хорн, Р. Морская химия : структура воды и химия гидросферы / Р. Хорн. — Москва : Мир, 1972. — 400 с.

Доклад: В основу работы легли классические учебники общей и неорганической химии Ахметова, Глинки и Угая. Специальные вопросы гидросферы раскрыты по учебнику гидрохимии Никанорова и монографии Хорна. Нормативные требования к качеству питьевой воды приведены по действующим санитарным правилам и нормативам.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом презентация завершена. Мы рассмотрели строение молекулы воды, её аномальные физические свойства, химическую активность и значение для природы и человека. Благодарю за внимание, готов ответить на вопросы.