3 Влажность, влагоемкость, двойной слой

Вода, содержащая растворимые соли, всегда присутствует в горных породах. Объем воды равен объему пор сухой породы, больше или меньше его. В последнем случае в поровом прост­ранстве пород, кроме воды, имеется или газ, или нефть, или их смеси.

Содержание воды в горных породах определяется их влаж­ностью. Способность же пород в зависимости от их свойств и термобарических условий удерживать то или иное количество влаги называется влагоемкостью.

3.1 Структура воды в горных породах

Вода в горных породах находится в сложном взаимодействии со скелетом горной породы, обменными ионами и растворенными веществами. Молекула воды состоит из двух одновалентных ионов водорода и одного двухвалентного кислорода (Н₂О). Её изобража­ют в виде равнобедренного треугольника с двумя протонами в ос­новании (рис. 3.1). Эти три ядра окружены 10 электронами, два из которых движутся вблизи ядра кислорода, а остальные восемь – по четырем вытянутым орбитам. Оси двух орбит направлены вдоль связей ОН, а оси двух других – лежат приблизительно в плоскости, проходящей через ядро кислорода и перпендикулярной плоскости НОН. Углы между направлением орбит в той и другой паре близки к тетраэдрическим, т.е. оси четырех эллиптических орбит направлены к вершинам тетраэдра, центр которого совпадает с центром молекулы воды. С протонами, находящимися внутри двух орбит, связанны полюса положительных электрических зарядов. Элект­роны, движущиеся по двум другим орбитам, образуют так называемые уединенные пары, которые в значительной мере определяют взаимодействие молекул Н₂О в воде и во льду.

Рисунок 3.1 – Модель молекулы воды (по Бьерруму)

Наличие четырех разнесенных полюсов разноименных зарядов создает дипольный электрический момент равный 6,110^-30 Клм (1,87 Дебая). Структура воды (и льда) определяется существованием водородных связей между молекулами. В случае упорядоченной структуры, наблюдающейся во льдах, молекулы воды расположены так, что они соприкасаются разноименными полюсами.

В свободной воде в целом не сохраняется какое-либо упорядоченное расположение молекул. Однако возможна их ближняя упорядоченность по вершинам многогранников с пятиугольными гранями (додекаэдрами). Внутри некоторых из этих многогранников находятся свободные молекулы воды, не связанные водородными связями. Под влиянием тепловой энергии молекулы воды совершают трансляционные движения (самодиффузия), которые ведут к разрыву части водородных связей. При этом молекулы, потерявшие положение равновесия, попадают в соседние пустоты структуры. Такие молекулы имеют разорванные водородные связи и энергетически не эквивалентны молекулам, находящимся в равновесии. Период собственных колебаний молекул воды около положения равновесия при температуре 25°С приблизительно равен 1,410^-12 сек. Около одного положения равновесия молекула совершает в среднем около 1000 колебаний.

В процессе самодиффузии молекулы воды происходит её частичная диссоциация на ионы Н⁺ и ОН^-. Степень диссоциации чистой воды очень мала, причем сама вода остается нейтральной, т.е. имеет место равенство концентраций Н⁺ и ОН^-. При температуре около 25 °С рН чистой воды равна 7. Произведение концентраций ионов водорода и гидроксильной группы, называемое ионным произведением, является постоянным для данной температуры воды.

В горных породах присутствует не химически чистая вода, а водные растворы электролитов. Свойства ионов в растворе в значительной мере зависят от состояния ионов в растворе, в силу чего равенство концентраций ионов Н⁺ и ОН^- может быть на­рушено, что отразится на величине рН раствора. При этом имеет значение взаимодействие ионов, как с непосредственно окружающими их молекулами воды, так и с другими молекулами воды. Соответственно различаются «ближняя» и «дальняя» гидратации. Наибольшее влияние на явление переноса (электропроводность, диффузия, теплопроводность) оказывает первая, поскольку под ее воздействием меняется вязкость воды. Влияние «дальней» гидратации состоит главным образом в поляризации под действием поля иона окружающих его объемов воды. При этом, несмотря на то, что энергия взаимодействия каждого отдельного иона с каждой отдельной удаленной от него молекулой мала, общая энергия, по­лучаемая суммированием по многим ионам и молекулам, достигает больших значений и с ней связана значительная часть теплоты гидратации иона. Координаци­онное число (число ближайших с ионами молекул воды) в водных растворах электролитов близко к координационному числу молекул воды (4,6 при 25°С).