Термодинамика растворения

Растворение газа в воде, как правило, экзотермический процесс. Энтальпия растворения обычно меньше нуля (ΔН<0). Энтропия при растворении газа уменьшается, так как газ менее упорядоченная система. (ΔS<0). ΔG = ΔH – TΔS, если ΔS<0, то (– TΔS)>0. то есть с ростом температуры ΔG возрастает. Согласно второму закону термодинамики, растворимость газов в жидкости с ростом температуры уменьшается.

На растворимость газа в жидкости влияет наличие в растворе электролитов. Влияние электролитов оценивают по величине ионной силы (μ).

μ =1/2 Σ z_i² C_i

где z_i² заряд иона в квадрате, C- молярная концентрация иона. В присутствии электролитов растворимость газов уменьшается.

Растворение твердых веществ в жидкости – сложный процесс.

При растворении происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества, распределение вещества по всему объему раствора и гидратация молекул (взаимодействие с водой).

ΔН _раств. =ΔН _{разр. кристалл. решетки} +ΔН_{распред. в-ва по объему раств.}+ ΔН_{гидратации.}

В зависимости от вида твердого вещества ΔН_раств. может быть как положительной, так и отрицательной, то есть растворение может быть как экзотермическим, так и эндотермическим процессом.

При переходе от твердого кристаллического вещества к раствору упорядоченность уменьшается, и энтропия возрастает (ΔS>0), тогда (– TΔS)<0. Таким образом, с ростом температуры свободная энергия Гиббса будет уменьшаться, то есть растворимость твердого вещества при повышении температуры увеличится.

Растворимость жидкостей в жидкостях с ростом температуры также обычно увеличивается.

Вода

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой. Водную оболочку земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньше - пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар. В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). Ученые подсчитали, что 97.5% всех запасов воды на планете Земля приходится на соленые воды морей и океанов. Иными словами, пресная вода составляет только 2.5% мировых запасов.

Если учесть, что 75% пресной воды "заморожено" в горных ледниках и полярных шапках, еще 24% находится под землей в виде грунтовых вод, а еще 0.5% "рассредоточено" в почве в виде влаги, то получается, что на наиболее доступный и дешевый источники воды — реки, озера и прочие наземные водоемы приходится чуть больше 0.01% мировых запасов воды. Принимая во внимание то значение, которое вода имеет для жизнедеятельности человека и всего живого на Земле, приведенные цифры наглядно подтверждают сакраментальный тезис о том, что вода — одно из самых драгоценных сокровищ нашей планеты.

Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Без воды невозможно существование живых организмов. В любом организме вода является средой, в которой происходят химические реакции, без которых не могут жить живые организмы. Фундаментальна роль воды в жизни клетки. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

Круговорот воды

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) - процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков. Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше - положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом её общее количество остаётся неизменным.

Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4°С вода расширяется при понижении температуры (β < 0). Максимум плотности ρ = 1,03 г/мл вода имеет при температуре 4°С. При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0°С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

Структура воды

Вода составляет в нашем организме около 60% массы тела у мужчин и 55% у женщин. При массе 70 кг на воду приходится около 40 кг. У новорожденных вода составляет ~ 75 %. С возрастом количество воды в организме несколько снижается.

Вода в организме человека распределена неравномерно.

головной мозг — 90 процентов.

в крови ее —81 процента,

в мышцах — 75.

кожа и печень 70 процентов.

в костях ее — 20 процентов.

Вода – полярное соединение. Длина связей О-Н в молекуле воды составляет 0, 0965 нм, угол между связями - 104,5^о. На атомах водорода имеется некоторый небольшой положительный заряд, на атоме кислорода – отрицательный. Из-за взаимодействия этих зарядов, между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды возникает слабая межмолекулярная связь, получившая названия водородная связь.

Длина водородной связи почти в два раза больше, чем длина ковалентной связи О-Н и составляет 0, 177 нм. Энергия водородной связи (4,5 ккал/моль), что значительно меньше, чем энергия ковалентной связи в молекуле воды (110 ккал/моль). Каждая молекула воды может образовывать

. 4 водородных связи. В среднем вода образует ~ 3,7 водородные связи с соседними молекулами воды, формируя большие агрегаты. Водородные связи легко разрываются и образуются вновь, что и объясняет высокую текучесть воды. Водородные связи играют важную роль в формировании пространственной структуры белков, нуклеиновых кислот и многих других биоорганических соединений.

Водородные связи с соседними молекулами воды, формируют большие агрегаты. Элементарной ячейкой воды являются тетраэдры, содержащие связанные между собой водородными связями четыре (простой тетраэдр) или пять молекул Н₂О. Согласно гипотезе С.В. Зенина, вода представляет собой иерархию правильных объемных структур кластеров, в основе которых лежит кристаллоподобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей.

При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдры объединяются в додекаэдры (правильные 12-гранники 912 молекул воды). Вода на 80% состоит из додекаэдров, на 5% - из тетраэдров и только на 3% - классические молекулы воды.

Если рассматривать воду как простую совокупность молекул Н₂О, то оказывается, что её удельный вес должен составлять 1,84 г/см3, а температура её кипения будет равна 63,5°С. Но, как известно, при нормальной температуре и давлении удельный вес воды равен 1 г/см³, а кипит вода при 100°С. Исходя из этого, следует предположить, что подтверждает более сложную структуру воды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: