книги из ГПНТБ / Карцев, А. А. Невидимый океан

Мы почти не задумываемся над тем, что такое вода. ( Для нас привычны картины дождя или падающего снега, плавное течение рек, гладь озер и водохранилищ. Конеч­ но, вызывают восхищение просторы морей и необъятная ширь океанов, гигантские ледники, сползающие с заоб­ лачных высот Кавказа или Памира, струи гейзеров, бью­ щих из-под земли в Исландии или на Камчатке. Все это вдохновляет на создание ярких образов и красоч­ ных сравнений, но редко кто задумывается над тем, каковы причины подобных явлений и каковы роль и свой­ ства воды, предстающей перед нами в самых разнооб-J разных качествах. Чаще всего считают, что вода веще-^ ство простое.

Такое представление о воде как простом веществе существовало в древности (когда вода представлялась одной из четырех стихий) вплоть до восьмидесятых годов XVIII столетия. В 1783 г. английский физик Г. Кавен­ диш обнаружил, что водород и кислород, соединяясь при возникновении электрической искры, образуют воду. Опыт был повторен в Париже великим французским уче­ ным А. Лавуазье, установившим, что вода является про­ дуктом горения водорода и кислорода. В 1785 г. фран­ цузские ученые А. Лавуазье и Ж. Менье определили количественный состав воды, выяснив, что для образова­ ния воды необходимо соединить 2 г водорода и 16 г кис­ лорода. В 1805 г. немецкий естествоиспытатель Алек­ сандр Гумбольдт и французский исследователь ГейЛюссак показали, что вода состоит из двух объемов водорода и одного объема кислорода. Так была получе- ! на классическая формула воды ЩО и рассчитан ее моле­ кулярный вес, равный 18.

В течение почти столетия считалось, что вода изучена^ достаточно полно. Но в 1931 г. Р. Верже и Д. Менцель установили, что, кроме изотопа водорода с атомным ве-

10

Рис. 1. Модель молекулы воды (по С. Дэвису и Р. Деуисту)

Показано взаимное проникновение атомов Н и О. В центре расположено ядро атома О. Ядро двух атомов Н и две пары электронов находятся в углах тетраэдра

два атома водорода. Вокруг ядер атомов кислорода и во­ дорода, заряженных положительно, вращаются электро­ ны, заряженные отрицательно. Электроны создают так называемое электронное облако. Но в связи с тем, что расположение ядер атомов водорода и кислорода асим­ метрично, создаются два полюса зарядов: положитель­ ный и отрицательный. Таким образом, молекула воды становится полярной. Это хорошо видно на рис. 1, где молекула воды изображена в виде шара, осложненного двумя полусферами, являющимися центрами водородных атомов. Полярность молекул объясняет их способность притягиваться друг к другу. Молекулы—шары способны

12

образовывать сложные группировки. При этом связи между молекулами могут усиливаться или ослабляться, в силу чего группа молекул может образовывать сгуст­ ки, цепочки или располагаться слоями, покрывающими друг друга. Расстояние между молекулами может уве­ личиваться или сокращаться, т. е. между молекулами воды могут быть пустые пространства. Все зависит от температуры и давления среды, в которой находится вода.

Видимо, способностью воды образовывать сложные ассоциации молекул можно объяснить тот факт, что многие физические константы воды являются аномалия­ ми. Так, еще в 1635 г. итальянский ученый Аджунти опытным путем установил, что вода в отличие от других веществ при замерзании (затвердевании) не уплотняет­ ся, а расширяется. Если при 4°С плотность воды макси­ мальная и равна 1(0,9999), то при замерзании (0°С)

объем ее скачкообразно увеличивается на 10% и плот­ ность воды (льда) уже составляет 0,9168. Почему при замерзании плотность воды уменьшается? Советский уче­ ный О. Я. Самойлов показал, что молекулы льдоподоб­ ной воды расположены таким образом, что между ними возникают большие пустые пространства, а поэтому лед рыхлообразный, т. е. легче, чем жидкая вода (рис. 2).

Расчеты показывают, что если бы в воде упаковка молекул была плотной, то тогда плотность воды состав­ ляла бы 1,84 г/см3, но в действительности плотность жидкой воды приближается к 1, о чем мы уже говорили, а это значит, что даже при температуре 4°С при макси­ мальной плотности воды ее структура отличается ажур­ ностью, т. е. между молекулами имеются пустоты. Если бы вода состояла только из одиночных молекул, отстоя­ щих друг от друга на равном расстоянии, то тогда тем­ пература ее кипения была бы равна 63,5°С, но в связи с

13

Рис. 2. Кристаллическая решетка льда, видны пустоты в структуре льда (по О. Я. Самой­ лову)

тем что образуются различные ассоциации молекул, точ­ ка кипения воды при нормальном давлении возрастает до 100°С.

Вязкость воды также имеет аномалию: в отличие от вязкости других жидкостей она понижается при повыше­ нии давления. Повышение температуры также понижа­ ет вязкость воды. Вот почему подземные воды даже на больших глубинах при высоких давлениях и температу­ рах обладают значительной подвижностью. Из всех при­ родных тел вода обладает наибольшей теплоемкостью (она в несколько раз выше, чем у других веществ). Бла­ годаря этому вода оказывает огромное влияние на режим тепла в недрах и на поверхности земного шара. Запас-

14

шись теплом летом, океаны и моря согревают этим теп­ лом атмосферу зимой. Накопив тепло в экваториальных широтах, океанские течения разносят его в северные и южные полушария, выравнивая климат планеты. При испарении воды расходуется огромное количество тепла. И если бы расход тепла на испарение воды стал в не­ сколько раз ниже, то, вероятно, многие водоемы и реки пересыхали бы летом.

Необыкновенно высока диэлектрическая постоянная воды (—87,7), т. е. число, показывающее, во сколько раз ослабевает электрическое поле в данном диэлектрике по сравнению с пустотой. Химически чистая вода не прово­ дит тока, но так как в природной воде всегда находятся растворенные соли и ионы, эта вода обладает электро­ проводностью. На изменении электропроводности и электрического сопротивления вод и пород основан ряд геофизических методов исследования земных недр.

Вода обладает необычайно высоким поверхностным натяжением. В результате точных измерений установле­ но, что для разрыва столбика абсолютно чистой воды диаметром 2,54 см потребуется сила, равная 95,2 т. Поэ­ тому в водоеме на поверхности воды образуется тончай­ шая пленка молекул, связанных друг с другом большой силой сцепления. Такая пленка играет важную роль в образовании волн в морях и океанах.

Перечисленные здесь особенности воды далеко не исчерпывают всех ее «странностей». К некоторым из них мы еще вернемся, но и из рассмотренного видно, на­ сколько сложны и многообразны свойства воды—удиви­ тельнейшего из природных минералов, образцы которо­ го не экспонируются ни в одном из минералогических музеев мира, потому что чистая вода внешне ничем не примечательна.

В природе вода встречается в жидком, парообразном

I 15

и твердом состояниях. Жидкая вода подчиняется закону силы тяжести (гравитации). Гравитационная вода сво­ бодно перемещается по поверхности земли, а в породах— по трещинам и различным пустотам. Вода, заполняющая очень мелкие поры, называется капиллярной. Капилляр­ ная вода обладает интересной особенностью, которая связана с исключительно высокой способностью воды к прилипанию (адгезии). В капиллярах вода смачивает стенки пор и за счет менисковых сил поднимается вверх, от чего создается впечатление, будто она не подчиняет­ ся закону силы тяжести. Капиллярная вода имеет ис­ ключительно большое значение для питания растений и сохранения влаги в почве.

Пленочная вода образует пленки вокруг отдельных частиц породы. Эта вода передвигается из слоев, имею­ щих более толстые пленки, в слои с более тонкой плен­ кой. Пленочная вода в почве благоприятствует разви­ тию микроорганизмов, но для питания растений ее не­ достаточно.

Парообразная вода свободно передвигается в пусто­ тах горной породы. Особенно большое значение имеют парообразные воды в очагах вулканизма. Достаточно вспомнить гейзеры Камчатки и Курильских островов, чтобы оценить роль и значение парообразной воды.

Застывшую воду называют льдом. На поверхности земного шара имеются обширные пространства матери­ кового льда. Так, в Антарктиде по подсчетам советских гляциологов находится около 28 млн. км3 льда. Гренлан­ дию покрывает ледниковый щит объемом около 2,5 млн. км3. Но значительно большие объемы воды в твердом состоянии находятся в подземных условиях. Это застывшая вода зоны многовековой «вечной» мерз­ лоты. Подземная вода в виде льда находится в порах мерзлой породы, но встречаются отдельные скопления

16

льда в крупных полостях и трещинах. Обнаруживаются и значительные по размерам скопления льда под слоями молодых современных осадков — это так называемые погребенные льды.

В природе кроме названных видов воды существуют воды, входящие в кристаллическую решетку минералов. Содержание воды в минерале может быть постоянным (например, в гипсе находятся две молекулы воды

CaSO4-2H2O, в медном купоросе пять молекул воды

CuSO4-5H2O и т. д.) или переменным (например, в опа­ ле SiO2-nH2O). Вследствие этого цвет опала изменяет­ ся от нежно-зеленого при незначительном содержании воды до ярких многоцветных тонов, когда число молекул воды возрастает.

Существует также вода, теснейшим образом хими­ чески связанная со структурой различных минеральных соединений, — конституционная вода. Эту воду можно получить, лишь полностью разрушив (прокалив) мине­ ралы.

Таким образом, вода входит в качестве составной части во все горные породы, пропитывает их, проникает всюду, насыщая огромную массу пород литосферы.

На поверхности земли и в недрах вода находится в постоянном движении. При участии воды происходит сглаживание рельефа. Разрушаются горы. Уральский горный хребет, который, по данным геологов, некогда был не ниже Гималаев, теперь разрушен, размыт и его максимальная высота не превышает 1,5 км. Водные по­ токи вырабатывают глубокие долины. Постоянно проис­ ходит транспортировка различного твердого материала по рекам в моря и океаны. При этом вода обогащается различными солями, так как растворяющая способность ее очень велика. Это свойство воды обусловлено особен­

17

лекулами; 3—слой С обычная жидкость

Мы уже говорили о том, что структура воды отли­ чается ажурностью, т. е. наличием между молекулами пу­ стот. Ионы, заряженные положительно (катионы) или от­ рицательно (анионы), создают переориентировку элект­ рическихцентров между молекулами воды, которые явля­ ются диполями. Это приводит к перегруппировке моле­ кул воды, они приобретают большую подвижность. На рис. 3 видно, что вокруг ионов создаются сгустки ориен­ тированных молекул воды, а по мере удаления от иона сила электрических связей ослабевает. Увеличение под­ вижности молекул ведет к тому, что они влияют на соли других веществ, приводя к появлению отрицательно и положительно заряженных ионов. Так возрастает раст-

18