2.2.1.1 Хімічний склад і будова води.
Молекула води складається із двох атомів водню й одного атома кисню, але тому що перші мають 3 ізотопні форми, а другі – 6, то можуть існувати 36 різновидів води, з яких у природі зустрічаються лише 9.
Вхідні до складу молекули води ядра водню й кисню утворюють рівнобедрений трикутник зі стороною 15 нм. У його основі перебувають два протони, а у вершині – ядро атома кисню. З 8 електронів зовнішнього
електронного шару кисню дві пари утворюють ковалентні зв'язки О–Н, а інші – дві неподілені електронні пари. Електрони, що утворять зв'язки О–Н, зміщені до електронегативного кисню, у результаті чого атоми Н здобувають ефективні позитивні заряди. Неподілені електронні пари зміщені щодо атома кисню й створюють два негативних полюси (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Схема будови молекули води
Таким розташуванням зарядів визначається дипольний характер молекул води. Тому електроліти у воді легко дисоціюють на іони в результаті їхнього притягання своєрідними електромагнітами –
дипольними молекулами води. У замерзлій воді атом кисню кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків із двома сусідніми молекулами Із двома іншими взаємодіють атоми водню.
Молекули, що стикаються один з одним своїми різнойменними полюсами, утворять шари. Кожна з них пов'язана із трьома, що належать тому ж шару, і з однієї – із сусіднього. При такій структурі виникають численні порожнечі розміром більше молекули води, тому щільність льоду менше 1.
При таненні льоду частина водневих зв'язків руйнується, молекули що відірвалися розміщаються в порожнечах вихідних агрегатів, щільність води зростає. З подальшим нагріванням до 4°С розрив водневих зв'язків
триває, ущільнення води переважає над ефектом теплового розширення.
Після 4° С теплове розширення починає переважати над ущільненням, спричиненим триваючим розривом водневих зв'язків, густина води починає знижуватися. Розрив всіх зв'язків відбувається тільки при переході води в пару; при 20°С зберігається їх половина.
2.2.1.2 Термічні особливості води
У порівнянні із ґрунтом і повітрям вода відрізняється набагато більшою термостабільністю, що сприятливо для існування життя. Збереженню температурної сталості води сприяє її надзвичайно висока теплоємність, рівна 4,19×103 Дж/(кг∙К) або 1 кал/(г∙град). Пояснення такої аномально високої теплоємності полягає в тому, що частина одержуваної теплової енергії витрачається на розрив водневих зв'язків між асоційованими молекулами. У результаті вода повільно прохолоджується й нагрівається при зміні сезонів року, а також часу доби, відіграючи роль важливого регулятора температури. Максимальні коливання її у Світовому океані не перевищують 30–40°С, у той час як у ґрунті й на повітрі вони можуть досягати 110–120°С. Підвищенню термостабільності води в природних умовах сприяє її аномальна властивість зменшувати свою густину зі зниженням температури від 4 до 0°С (для прісної води).
Розширюючись при замерзанні, вода перетворюється в лід, що, будучи більш легким, ніж вода, плаває на її поверхні й утворює теплоізоляційний шар, що попереджає промерзання водойм.
Узимку підлідні холодні води не поринають углиб, плаваючи на більш теплих; улітку прогріті води не опускаються до дна, де перебувають більш холодні і тому більше щільні води. Шаруватість, що утворюється, або температурна стратифікація, улітку попереджає прогрівання до дна навіть порівняно дрібних водойм, а взимку – охолодження всієї водної маси нижче°4 С. Наприклад, у рибоводних ставках глибиною 1–1,5 м різниця в температурі води дна й поверхні може досягати в жаркі дні 7 –10°. Аномальні властивості, що обумовлюють виникнення температурної стратифікації, а також порівняно низька теплопровідність води (0,557 Вт/(см∙К), або 1,110 кал/(см∙град)) істотно гальмують вирівнювання температурних градієнтів у пелагіалі водойм.
Підтримці термостабільності води сприяють украй високі теплота пароутворення (2,26×106 Дж/кг, або 539 кал/г при 100°С) і плавлення льоду (3,35×105 Дж/кг або 80 кал/г).
Коли надходження тепла у водойми підсилюється і вода починає нагріватися, випаровування зростає, внаслідок чого підвищення температури сповільнюється. При охолодженні води нижче 0°С і утворенні льоду тепло, що виділяється, гальмує подальше зниження температури.