16. Химические типы вод и свойства воды.

Вода – химическое соединение водорода и кислорода, которое принято обозначать формулой Н₂О. Молекулярная масса воды равна 18, но встречаются молекулы с молекулярной массой 19, 20, 21 и 22. Они состоят из более тяжелых атомов водорода и кислорода, имеющих атомную массу соответственно 1 и 16.

Простейшую формулу Н₂О имеет молекула парообразной воды. Простая молекула воды называется гидроль, при объединении двух гидролей образуется дигидроль (Н₂О)₂, а соединение трех простых молекул – тригидроль (Н₂О)₃. Образование дигидроля и тригидроля происходит вследствие притяжения молекул воды друг к другу в результате эффекта полярности, свойственного молекулам воды. При 0ْС вода состоит из мономеров Н₂О только частично, большая ее часть при этой температуре состоит из триммеров, в то время как при температуре 4ْС основную массу воды составляют димеры. Классификации вод по химическому составу:

1. По величине минерализации, т.е. сумме найденных в воде ионов:

- пресные (до 1,0 г/кг);

- солоноватые (1-25 г/кг);

воды с морской соленостью (25-50 г/кг);

- воды соленые (с соленостью выше морской) (выше 50 г/кг).

2. Классификация О.А. Алекина сочетает принцип деления по преобладающим анионам и катионам с делением по соотношениям между ионами. Все природные воды делятся по преобладающему аниону на 3 классагидрокарбонатных (и карбонатных) (НСО₃ + СО₃), сульфатных (SO₄) и хлоридных (Сl) вод. Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на 3 группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В свою очередь каждая группа подразделяется на три типа вод, определяемых соотношением между ионами в мг-экв.

Химически чистая вода обладает рядом аномальных свойств:

1) при нагревании воды от 0 до 4ْС ее объем не увеличивается, а уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0ْС), а при 4ْС (точнее 3,98);

2) вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается;

3) температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается;

4) удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел;

5) вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости;

6) вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей, за исключением ртути.

17. Физические показатели воды.

Вода участвует почти во всех физических, климатических и биологических процессах, совершающихся на Земле. Почти все физико-химические свойства воды – исключение в природе.

1. Плотность и удельный объем. За единицу плотности взята плотность дистиллированной воды при 4ْС. Плотность определяется отношением массы тела к его объему, а удельный объем – величина, обратная плотности. Плотность воды зависит от температуры, минерализации, давления, количества взвешенных частиц и растворенных газов. При температурах выше 4ْС плотность воды уменьшается, а в интервале 0ْС-4ْС увеличивается. Это объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды идут два параллельных процесса: первый – нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния между молекулами, второй – уменьшение объема благодаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей. Изменение плотности воды на один градус температуры в различных интервалах неодинаковы. Они очень малы около температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере удаления от нее. При переходе воды из жидкого состояния в твердре (лед) плотность резко изменяется приблизительно на 9%; плотность дистиллированной воды при 0ْС равна 0,99987, а плотность льда, образовавшегося из этой воды при 0ْС, равна 0,9167. С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и при температуре 20⁰С достигает 0,92. Изменение плотности воды оказывает существенное влияние на режим водоемов, вызывая конвекционные токи и течения, стремящиеся выровнять возникшую неравномерность в распределении плотности.

2. Теплоемкость и теплопроводность. Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1⁰С, называется удельной теплоемкостью. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град). Вода характеризуется наибольшей по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением аммиака и водорода. Вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз больше, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м³ воды на 1⁰С, на столько же нагревается 3000 м³ воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий. При испарении воды разрываются все межмолекулярные связи. Превращение льда в воду (таяние) требует много меньше затрат энергии, чем испарение. Основная часть солнечной энергии, поглощаемая гидросферой, затрачивается на испарение. При конденсации пара в верхней части тропосферы тепло, затраченное на испарение, вновь выделяется. Водяной пар выступает как теплоноситель, перемещающий тепло Солнца, для излучения которого атмосфера прозрачна, от поверхности суши к уровню конденсации в атмосфере. Пары воды перехватывают и поглощают тепловое (инфракрасное) излучение Земли, создавая парниковый эффект.

Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем у воды. Гидросфера гасит теплые и холодные импульсы через изменение интенсивности испарения или путем смены соотношения между массами таких своих составляющих, как твердая (ледники) и жидкая (в основном океан).

За счет огромной теплоемкости воды морские течения и крупные реки долго сохраняют свои свойства, изменяя прилегающие к ним участки. Разница в теплоемкости океана и суши создает системы бризовых и муссонных ветров.

3. Электропроводность. Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

4. Поглощение и рассеяние водой (снегом, льдом) солнечной энергии. Солнечная энергия, поступающая к поверхности воды (снега, льда), частично проникает в воду и поглощается ею, частично отражается. Поглощенная лучистая энергия превращается в тепловую. Количество отражаемой от поверхности воды прямой солнечной радиации зависит от угла падения лучей или высоты Солнца; отражение рассеянной радиации от высоты солнца не зависит и происходит по другим законам. Отношение отраженной солнечной энергии к поступающей носит название коэффициента отражения, или альбедо. Поглощение солнечной энергии изменяется в зависимости от длины световой волны и наличия в воде взвешенных и растворенных веществ. Вода хуже пропускает инфракрасные лучи и лучше световые (видимые) лучи, которые, проникая вглубь, обусловливают освещенность воды. В видимой части спектра (длин волны от 0,40 до 0,76 мкм) более интенсивно поглощается длинноволновое излучение.

Рассеяние света происходит как в самой водной массе, так и под влиянием взвешенных в ней частиц. Чем длиннее волна, тем она меньше рассеивается; поглощаются же, наоборот, сильнее длинные волны и слабее короткие. Совокупным действием поглощения и рассеяния объясняется цвет воды природных водоемов. Вследствие того, что фиолетовые и синие лучи поглощаются в меньшей степени, чем красные, и в большей степени рассеиваются, цвет воды отличается синеватым и сине-зеленоватыми оттенками.

5. Вода – универсальный растворитель. В природе не бывает химически чистой воды. Эта способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания. Вода – это инертный растворитель, который обычно не вступает в реакцию с растворенным веществом. Это свойство исключительно важно для жизни.

Чем быстрее жидкая вода движется по поверхности суши, тем дальше она от насыщения растворенными веществами. Но большая часть гидросферы малоподвижна, а потому она соленая и близка к равновесию. Растворенные в воде вещества, изменяя ее структуру, меняют и ее свойства. Электропроводность растворов обычно возрастает в десятки тысяч раз, что объясняется появлением в воде большого количества ионов, переносящих электрические заряды. Падает температура замерзания воды. Температура замерзания воды понижается и при повышении давления. Если в воду попадают тонкодисперсные частицы, не растворившиеся в ней, то молекулы воды, вступая в контакт с адсорбирующей поверхностью, теряют свою подвижность, связываются с этой поверхностью, выделяя при этом внутреннюю кинетическую энергию, которую называют теплотой смачивания. Количество энергии зависит от размеров и минерального состава частиц.

Физические свойства воды резко меняются и тогда, когда она попадает в дисперсные среды, например в микропоры глины, оказывается физически связанной или рассредоточена в очень малых объемах. Очень сильно меняются ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и многие другие свойства.

6. Поверхностное натяжение. Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений. Есть много организмов, которые опираются на пленку поверхностного натяжения своим телом или конечностями и передвигаются по ней – это эпинейстонные организмы, например, водомерки и жуки вертячки; другие прикрепляются к пленке поверхностного натяжения снизу конечностями или другими частями тела и могут передвигаться по ней – это гипонейстонные организмы, например, улитки-прудовики, личинки комаров, рачки. Есть растительные и животные организмы, которые занимают как бы промежуточное положении – плейстонные организмы, которые перемещаются с помощью ветра, например, ряски и медузы-парусники и португальские кораблики.