Измерения водрнопорной воды

Введение

Вода, являясь главным  источником жизни, играет большую роль в сельском хозяйстве и, в частности, в животноводстве. Потребности животноводства в воде в десятки раз превышают  потребности населения.

Механизация водоснабжения  сокращает затраты труда, способствует повышению продуктивности и созданию необходимых санитарно-гигиенических  условий в животноводческих помещениях и соблюдению правил пожарной безопасности. Для животноводческих предприятий требуется значительное количество доброкачественной воды: на поение скота, для приготовления кормов, очистки емкостей, оборудования и помещений и на другие цели. Животноводческие предприятия и населенные пункты, как правило, стремятся снабжать водой из одного источника. В соответствии с этим качество воды должно удовлетворять всем требованиям, которые предъявляются к воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых нужд. Качество воды оценивают по ее физическим свойствам, а также по химическому и бактериологическому составу. Оно должно отвечать требованиям ГОСТ "Вода питьевая". Она должна быть чистой, прозрачной, иметь приятный вкус, температуру 280…285К, оптимальный химический состав примесей, не содержать патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Общее число бактерий в 1 мл неразбавленной воды допускается не более 100, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л - не более 3. Кроме того, вода не должна содержать извести, магния, железистых соединений и органических веществ. Если вода жесткая, то на стенках труб водогрейных установок образуются отложения, которые уменьшают пропускную способность труб и их теплопередачу. Для смягчения воду пропускают через фильтр, хорошо поглощающий кальций и магний, или нагревают до 70…80⁰С, в результате чего кальций и магний выпадают в осадок. Для обеззараживания воды в нее добавляют чистый хлор или хлорную известь. Воду обрабатывают хлором в специальных аппаратах-хлораторах.

 

1. Общие сведения о воде.

1. Физические и химические свойства воды.

Физические свойства

Вода в нормальных атмосферных  условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные  водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислородаэлектронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды — полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.

Структуры воды и льда между  собой очень похожи. В воде, как  и во льду, молекулы стараются расположиться  в определённом порядке — образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35˚С её удельная теплоёмкость падает, в то время как у других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Вода обладает также высоким  поверхностным натяжением среди  жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов HO⁻ составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Агрегатные состояния

Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси — давление в Па, по горизонтальной — температура в Кельвинах. Отмечены критическая (647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда

По состоянию различают:

• Твёрдое — лёд
• Жидкое — вода
• Газообразное — водяной пар

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию» в системе СИ). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура  кипения воды растёт:

При росте давления плотность  водяного пара в точке кипения  тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Чистая вода способна как  переохлаждаться не замерзая до температуры −33 °C, так и быть перегрета до +200 °C. За это её свойство она получила применение в промышленности (например в паровых турбинах).

Существует тип воды, которая  имеет плотность на 40 % выше нормальной и закипает при температуре +300°С. Эта разновидность воды была открыта советским учёным Б. В. Дерягиным на поверхности кристаллов кварца.

Изотопные модификации  воды

И кислород, и водород  имеют природные и искусственные  изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды)  .
• Тяжёлая вода (дейтериевая)  .
• Сверхтяжёлая вода (тритиевая)  .
• тритий-дейтериевая вода 
• тритий-протиевая вода 
• дейтерий-протиевая вода 

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два  атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м.,тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м. 
По стабильным изотопам кислорода ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

Химические свойства

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть  химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H⁺ анион OH⁻). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pK_a ≈ 16.

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные     молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода реагирует при  комнатной температуре:

• с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

• с фтором и межгалоидными соединениями

 при низких температурах

• с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз

• с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот
• с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)
• с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами,  гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)
• со многими солями, образуя гидраты
• с боранами, силанами
• с кетенами, недоокисью углерода
• с фторидами благородных газов

Вода реагирует при  нагревании:

• с железом, магнием

• с углем, метаном

• с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии  катализатора:

• с амидами, эфирами карбоновых кислот
• с ацетиленом и другими алкинами
• с алкенами
• с нитрилами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Значение водоснабжения.

Вода – непременное условие  для организации какого-либо производства. Люди пока не придумали чем можно  заменить её участие в процессах. Приспособления для воздушного охлаждения не исключают полностью своих  водяных собратьев. Поэтому Современные  промышленные предприятия нуждаются  в большом количестве влаги.

Очень важным условием становится бесперебойность  подачи воды. Темпы роста производства не позволяют прекращать процесс  водоснабжения ни на минуту. Иногда, чтоб достичь этой цели, в ход  идёт накопительный метод. Заполняются  специальные резервуары, снижая тем  самым риск перебоя в подаче воды. Водоснабжение промышленных объектов требует некоего технологического уровня. В сам процесс включены такие приспособления как насосы, очистные сооружения, терморегулирующие агрегаты и тому подобное. Кроме того, этому предшествует химический анализ предполагаемого сырья. Все эти действия обусловлены требованиями, предъявляемыми к качеству воды. Выполняя охлаждение систем, она не должна нанести вред агрегату. Коррозийные свойства, различные химические примеси, известь – могут привести к разрушению тех частей механизма, с которыми соприкасается вода. Засорение и порча труб грозят нарушением циркуляции и выходом из строя всего агрегата в целом. Избавить промышленное водоснабжение от подобных проблем может искусственная обработка. Она обеспечивает удаление различных солей и способствует предотвращению образования налёта на стенках механизмов. Очень важным условием для использования воды в промышленных целях считается сила напора. Забирая сырьё из природных источников, этот пункт далеко не всегда можно получить естественным путём. Для решения этой задачи конструируют специальные приспособления, позволяющие повысить уровень подающей установки. Такие меры необходимы для обеспечения бесперебойной поставки нужного объёма. В целом это помогает избежать перегрева и порчи производственных установок, а значит и снижения темпов работы. Значение водоснабжения для производственных объектов настолько высоко, что некоторые предприятия целесообразнее строить в непосредственной близости от природных источников. Так как перевозка больших объёмов приведёт к огромным затратам. Но при этом необходимо учитывать и вред, который могут нанести окружающей среде сточные воды промышленного объекта.