Учебники / 2 курс 1 семестр / Русаленко Науки о Земле

с атомом кислорода имеет некоторый избыток отрицательного заряда, а противоположная сторона с атомами водорода – избыток положи- тельного заряда электричества. Наличие полярности и некоторых дру- гих сил обусловливает способность молекул воды объединяться в аг- регаты по несколько молекул.

Простейшую формулу Н2О имеет молекула парообразной воды. Та- кая простая, не объединившаяся с другой, молекула воды Н2О называется гидроль. В жидком состоянии молекула воды представляет собой объе- динение двух простых молекул (Н2О)2 и называется дигидроль. Молекула льда – это объединение трех простых молекул (Н2О)3, называемое тригидроль. Образование дигидроля и тригидроля происходит вследствие притяжения молекул воды друг к другу в результате эффекта полярности, свойственного молекулам воды.

В парообразном состоянии при температуре свыше 100°С вода состоит главным образом из молекул гидроля, так как значительная скорость движения молекул при этой температуре нарушает ассоциа- цию (объединение) молекул. В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением температуры. Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наибольший объем, а молекулы гид- роля в нем отсутствуют (табл. 3).

В 1933 г. впервые было открыто существование в природных во- дах, кроме обычной, тяжелой воды, представляющей собой изотопи- ческие разновидности воды с тяжелым водородом 2Н и кислородом 18О. В настоящее время известны пять водородов и пять кислородов. По два из них (4Н, 5Н, 14О и 15О) радиоактивны и очень короткоживущи. Например, длительность существования 4Н всего лишь 4 · 10–11 с.

Наиболее широко известны следующие изотопы водорода: про- тий 1Н (с относительной атомной массой 1), дейтерий 2Н, или D (с от-

носительной атомной массой 2), и тритий 3Н, или T (с относительной атомной массой 3), наиболее тяжелый, но слаборадиоактивный водо- род (его период полураспада 12,3 года). Эти изотопы водорода с тре- мя изотопами кислорода (16О, 17О и 18О) могут образовывать 18 изо- топических разновидностей воды: 1Н16О; 1НD16O; D216O; 1НТ16О;

DT16O; Т216О; 1Н217О; 1НD17O; D217O; 1НТ17О; DT17O; Т217О; 1Н218О; 1НD18O; D218O; 1НТ18О; DT18O; Т218О.

Земные природные воды почти целиком представлены «легкой во- дой» (табл. 4). Другие изотопические разновидности воды встречают- ся в незначительном количестве (в табл. 4 приведены приближенные осредненные данные).

На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а

в межзвездном пространстве один атом дейтерия приходится уже на 200 атомов протия. Предполагается, что дейтерий образуется в удар- ных волнах при вспышке сверхновых звезд и при взрывах в ядрах га- лактик. Он образуется также при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном.

Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтери- ем в результате диссипации (рассеяния) протия в межпланетное про- странство. Поэтому дождевая вода более богата тяжелым водородом.

Растения содержат повышенные количества тяжелого 18О, и в ре-

зультате их разложения в атмосфере наблюдается некоторый избыток этого изотопа. И дейтерия в растениях чаще больше, чем в почве, вследствие потери ими легкой воды при транспирации.

Споверхности водоемов преимущественно испаряется легкая вода,

ипоэтому воды океанов и морей содержат больше дейтерия. В водо- проводной воде дейтериевой воды содержится около 0,015%, а в океа- нической – в 1,1 раза больше. Снег и лед высоких гор обеднены тяже- лой водой, в связи с чем талая вода, по мнению некоторых ученых, био- логически активна и является «живой» водой, так как содержит меньше дейтерия. Наоборот, вода с повышенным содержанием дейтерия отно- сится к «мертвой» воде. Исходя из предположения о потере Землей про- тия и постепенном обогащении дейтерием, быстрый рост и огромные размеры растений и животных в доисторические эпохи объясняются буль- шим содержанием в природных водах протия, а обитание современных пигмеев икарликовых животныхвзападнойчасти ЭкваториальнойАфрики– океаническими ветрами, обогащающими данную территорию дейтерием. Наличие «живой» (легкой) воды способствует долгожительству и повы- шенному росту северян по сравнению с южанами.

Несмотря на то что молекулы воды полярны, они сами по себе ней- тральны, т. е. не имеют электрического заряда. Нейтральность достига- ется равновесием между положительно заряженными протонами и отри- цательно заряженными электронами. Однако вода обладает способнос- тью к диссоциации (от лат. dissociatio – разъединение) на противопо- ложно заряженные ионы водорода Н+ и гидроксила ОН–, т. е. происходит ионизация самой воды. Наличие ионов Н+ и ОН– делает воду очень ак- тивной. Если чистая вода совершенно не ионизирована, она не электро- проводна. В действительности в природе вода всегда является электро- литом и пропускает в большей или меньшей степени электрический ток.

При связывании одного из ионов с каким-либо другим веществом вода из нейтральной может стать кислой (при преобладании положи- тельных свободных ионов водорода) или щелочной (при преоблада- нии отрицательных гидроксильных ионов).

В большинстве поверхностных вод диссоциация молекул воды выражена крайне слабо. Так, при 25°С в тонне «чистой» воды содер- жится всего лишь 1,8 мг, или одна десятимиллионная часть, диссоци- ированной воды. Но и эта незначительность очень важна.

В воде могут находиться и отрицательно заряженные ионы кислоро- да О–, а также другие соединения водорода с кислородом. Например,

гидроксоний Н3О+ встречается в растворах галита (NaCl) при повышен- ных температурах и давлениях, а также в углах кристаллической решетки льда (вместе с гидроксильным ионом ОН–), во многих минералах.

Следует отметить, что при температурах до 100°С при ионизации воды, т. е. при распаде молекулы Н2О на гидроксильный анион ОН– и катион Н+, последний в воде не накапливается, так как гидратируется до иона гидроксония Н3О+. Встречающееся в учебниках уравнение

Н О → Н+ + ОН– следует воспринимать с весьма существенной ого-

2 →

воркой, так как в воде не только не существует голых протонов Н+, но

даже гидратированные протоны Н3О+ в действительности подвергают- ся дальнейшей гидратации и реально существуют в форме иона Н9О4+.

Изложенное позволяет сделать заключение о том, что даже иде- альная реально не существующая вода без примесей других элемен- тов, состоящая только их кислорода и водорода, является исключи- тельно сложным веществом, очень далеким от примитивного и при- вычного нам изображения в виде формулы Н2О.

Под плотностью воды ρ, г/см3, понимается отношение ее массы

Заединицуплотностипринятаплотностьдистиллированнойводыпри4°С. Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, дав- ления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

Несмотря на то что вода принята в качестве эталона для характерис- тики других веществ (как мера плотности, объема и т. д.), сама вода яв- ляется самым аномальным среди них. Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают объем. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4°С, когда с возрастанием температу- ры в указанном интервале объем воды не увеличивается, а, наоборот, уменьшается, и максимальная плотность отмечается при 4°С (рис. 21).

Следовательно, для воды зависимость между объемом и темпера- турой не однозначна, как в нормальных условиях для других веществ, а двузначна. Например, при 3 и 5°С масса воды занимает один и тот же объем, так же как и при 0,2 и 8°С и т. д. Несмотря на данную аномалию, вода служит эталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.

1,0000

0,9997

0,9982

13,620

Рис. 21. Зависимость плотности воды

и ртути от температуры

Аномальное изменение плотности воды объясняется особеннос- тями ее строения. При нагревании воды от 0°С идут два параллельных процесса: первый – нормальное увеличение объема за счет увеличе- ния расстояния между молекулами, второй – уменьшение объема бла- годаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей. В ин- тервале температур 0–4°С интенсивнее происходит второй процесс, а в зоне температур выше 4°С – первый. В момент выравнивания влияния, оказываемого этими процессами на изменение объема воды, при 4°С наблюдается наибольшая плотность.

При падении температуры ниже 0°С объем воды продолжает уве- личиваться, но только если происходит переохлаждение. Однако пере- охлаждение требует исключительных условий: полной неподвижности воды и отсутствия центров кристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.). Вода, лишенная газов, может быть переохлаждена до –70°С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введении льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превраща- ется в лед и температура ее подскакивает до 0°С, т. е. на 70°С. Вода также может быть доведена до 150°С без закипания. При введении в

такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает и температура ее падает до 100°С.

Вода замерзает при температуре 0°С. При переходе воды из жид- кого состояния в твердое (лед) плотность резко, скачкообразно

уменьшается приблизительно на 9%: плотность дистиллированной воды при 0°С равна 0,99987, а плотность льда (ρл), образовавшегося из той же воды, при 0°С равна 0,9167. С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и, например, при –20°С достигает 0,92.

Увеличение объема воды при замерзании имеет громадное значе- ние как в природе, так и в технике. При замерзании воды в замкнутом

пространстве и превращении ее в лед увеличивающийся объем воды приводит к возникновению избыточного давления, достигающего ог- ромных значений. Этим объясняется разрушительная сила замерзаю- щей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалываю- щая иногда многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мел- кие осколки, а также взрывы наледей, разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.

Благодаря изменению плотности воды при замерзании естествен- ные водоемы (например, озера) при отрицательных температурах воз-

духа зимой даже в условиях сурового климата не промерзают до дна в случае достаточной глубины водоема. При этом под ледяным по- кровом остается жидкая вода, потому что при промерзании лед, зна- чительно более легкий, чем вода, остается на поверхности водоема, на дно которого опускаются охладившиеся до 4°С массы воды, как наиболее плотные.

Все рассмотренные выше процессы происходят при указанных тем- пературах лишь при условии абсолютного давления, равного 1 атм. С увеличением давления температура замерзания воды понижается при- мерно на 1°С через каждые 130 атм. Так, при давлении 500 атм замер- зание наступает при температуре –4°С, а при давлении 2200 атм – при –22°С. Эта зависимость для воды аномальна, так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Данная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учета раство- ренных в воде солей на больших глубинах в океане вода не замерзает. Например, при температуре –3°С она не замерзает даже на глубине около 4000 м, а на бульших глубинах тем более.

С повышением температуры жидкой воды ее плотность понижает- ся: на интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точ- ки кипения воды 100°С – на 4% (от 1 до 0,95838).

При увеличении давления температура кипения воды возрастает

(рис. 22).