Диаграмма состояния воды

Вода, как и все другие вещества, может находиться в газовом, жидком, кристаллическом и других состояниях, которые называют фазами — частями системы, имеющими один и тот же состав, строение и одинаковые свойства.

При обычных условиях вода существует в трех фазовых состояниях — газ (пар), жидкость, кристалл (лед). Силы взаимодействия между молекулами воды наиболее велики у льда, затем следуют жидкость и, наконец, газ.

Для природы важны свойства воды, часто существенно отличающие ее от других жидкостей. Для понимания свойств воды (и веществ вообще) необходимо уметь пользоваться диаграммами состояния веществ — графическим изображением взаимосвязи между фазами вещества при различных температурах, давлениях, концентрациях и других параметрах состояния.

Если в стакане находятся жидкая вода и куски льда, то это система двухфазная — жидкость и кристаллы. Причем несмотря на то что куски льда разделены жидкой водой, все куски льда составляют одну кристаллическую фазу.

Число фаз в системе зависит от того, что изучает исследователь. Если важно рассмотреть взаимодействие жидкой воды, льда и газа воды (пара), то в этом случае система будет трехфазной. Если водяной пар не принимается во внимание, та же система будет считаться двухфазной. Более того, в качестве фазы можно рассматривать стеклянные стенки стакана, если они взаимодействуют с содержимым, и тогда система становится четырехфазной. Следовательно, число фаз хотя и объективный показатель, но зависит от способа рассмотрения системы.

Каждая фаза воды — кристалл, жидкость, газ — устойчива при определенных температурах и давлениях. Построим график, па котором по вертикальной оси (ось ординат) отложим значения давления, а, но горизонтальной оси (ось абсцисс) — температуры. Отметим буквами «к» — кристалл, «ж» — жидкость и «г» — газ фазы, соответствующие температурам и давлениям их устойчивости (рис. 2.15, а).

Проведем плавные кривые линии между областями существования фаз (рис. 2.15, б). Это диаграмма состояния воды. Кривые, проходящие между областями существования фаз, делят диаграмму на поля устойчивости фаз — кристаллической (лед), жидкой и газообразной. Мы рассматриваем простейшую диаграмму состояния воды, так как различают 13 видов льда, что сильно усложняет рисунок.

Три кривые соединяются в точке О, отвечающей единственному сочетанию температуры и давления, при которых существуют сразу три фазы воды — лед, жидкость и пар. Точка О называется трой;

Рис. 2.15. Диаграмма состояния воды (масштаб не соблюден):

а — построение диаграммы; б — фазы воды и степени свободы па полях диаграммы ной точкой, которой отвечают температура 0,0076°С (273,16 К) и давление водяного пара 610,381 Па. При температуре плавления льда, равной 0 °C, в равновесии находятся лед с водой, насыщенной растворенным в ней воздухом.

Кривые на диаграмме состояния не только разделяют поля, но и описывают переход вещества из одного фазового состояния в другое. Кривая ОБ представляет те температуры и давления, при которых происходит переход льда в жидкость (плавление льда) или, наоборот, жидкой воды в лед (кристаллизация, отвердевание, замерзание): Н₂О_к = Н₂О_ж.

Эта кривая показывает зависимость температуры плавления льда от давления: чем выше давление, тем при более низкой температуре лед начинает плавиться (наклон кривой влево).

Кривая ОБ описывает равновесие между льдом и жидкостью. Точки этой кривой отвечают тем температурам и давлениям, при которых система является двухфазной, состоящей из кристаллов и жидкости. Когда лед плавится, его ажурная алмазоиодобная структура частично разрушается и образуется более плотная жидкая фаза.

Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье при повышении давления равновесие смещается в сторону ослабления воздействия, т. е. в сторону более плотной фазы — жидкой воды, и кривая ОБ наклонена в сторону оси давления. У немногих веществ обнаруживается такая особенность. При повышении давления температура плавления льда понижается. Поэтому из-под ледников вытекают ручьи с температурой воды ниже 0 °C.

Меньшая плотность льда по сравнению с плотностью жидкой воды важна для жизни природы: благодаря тому что лед плавает по поверхности воды, водоемы не промерзают полностью, и подо льдом сохраняется зимой жизнь животных.

Кривая О К изображает зависимость давления газа (пара) над жидкостью от температуры, т. е. равновесные условия между жидкостью и газом: Н₂О_ж = Н₂О_г.

Это равновесие характеризуется константой равновесия, являющейся давлением пара воды над жидкой водой:

В выражение для константы равновесия концентрация жидкой воды не входит, так как она постоянна (равна 1000/18 = 55,6 моль/л). Чистую дистиллированную воду получают конденсацией водяного пара кипящей воды.

При давлении 101 325 Па давление пара воды становится равным атмосферному, и вода закипает при 100 °C. Температура кипения воды сильно зависит от давления. На этом свойстве воды основано измерение давления воздуха термобарометрами или гипсотермометрами. В сосуде находится кипящая дистиллированная вода, и термометр омывается парами воды. Кипение наступает, когда давление пара достигает атмосферного давления 101 325 Па. Точность отсчета температуры составляет 0,01 градуса. По таблице находят, какому давлению отвечает температура кипения.

Кривая ОА показывает зависимость давления газа над льдом от температуры, т. е. условия равновесия между льдом и паром: Н₂О_к =.

= н₂о_г.

Этот фазовый переход характеризуется константой равновесия (концентрация кристалла в константу равновесия не входит), или давлением газа над кристаллом:

При давлениях ниже давления тройной точки О лед переходит в газ, не превращаясь в жидкость. Этот процесс называется возгонкой или сублимацией. Обратный процесс называется конденсацией. Для получения чистой воды можно пользоваться сублимацией льда, хотя этот способ очень энергоемкий и неэкономичный.

Кривые ОК и ОА представляют зависимости давления пара над жидкой водой и льдом от температуры в соответствии с уравнением.

Чтобы вычислить Д#_исп и А5_ИСП, достаточно составить систему по крайней мере двух уравнений с двумя значениями давления пара воды при двух температурах Т_{ и Т.;.

На диаграмме состояния воды есть еще одна особая точка К — точка, которой заканчивается кривая О К зависимости давления пара над жидкостью от температуры. При перемещении по этой кривой в область все более высоких температур и давлений свойства газа и жидкости сближаются, и в точке К наступает критическое состояние, при котором различия между жидкостью и газом исчезают. Этому состоянию отвечают строго определенные критические давление и температура. Выше критической точки К ни при каком давлении и температуре не происходит разделения на две фазы — жидкости и газы.

У многокомпонентных систем могут существовать критические точки равновесия кристалл — кристалл, жидкость — жидкость, газ — газ. При приближении к критической точке свойства вещества резко изменяются. В природе в условиях больших глубин земной коры возможно существование воды (и других веществ) в критическом состоянии. Растворенные в воде вещества вызывают некоторое повышение критической температуры (до 442°С).