7

Гидрология 2012

ЛЕКЦИЯ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПРИРОДНЫХ ВОД

Вопросы:

1. Молекулярная структура и изотопный состав воды

2. Химические свойства воды.

3. Физические свойства воды.

4. Гидрологическое и физико-географическое значение физических свойств и аномалий воды.

Литература:

Основная:

1. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д. Гидрология. М., 2006?

2. Давыдов Л.К., Дмитриева А.П., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л,1973

Дополнительная:

4. Мишон В.М. Поверхностные воды Земли: ресурсы, использование и охрана. Воронеж, 1979.

5. Мишон В.М. Гидрофизика. Воронеж, 1979.

6. Алексеевский Н.И. Гидрофизика.М.,2006.

1.Молекулярная структура и изотопный состав воды.

Химически чистая вода (H₂O) – устойчивое соединение водорода (Н) с кислородом (О). Водород составляет 11,19%, кислород – 88,81%.

Молекула воды образует равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине. Угол между направлениями на атомы водорода меняется от 10427 (пар) до 10440 (жидкость) до 109(лед).

O

- -

0,9710 ^–8 см

0,9710 ^–8 см

105

H

+

H

+

1,5310 ^–8 см

Диаметр молекулы воды равен 2,76 Ангстрема (10^-10 м).

Атом кислорода присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и приобретает отрицательный заряд. В сою очередь атомы водорода, лишенные электронов становятся положительно заряженными протонами. Таким образом молекула воды образует электрический диполь.

В воде возникает электрическое поле, обуславливающее ее большую относительную диэлектрическую постоянную -  (относительная диэлектрическая постоянная – отношение взаимодействия зарядов в веществе к взаимодействию в вакууме). Для воды =79- 81, вакуум - =1, большинство жидкостей =2-8.

Высокая относительная диэлектрическая постоянная приводит к большой способности воды расщеплять молекулы других веществ на ионы или растворять эти вещества. В воде на Земле растворяется большинство веществ, содержащихся в почве и горных породах.

Каждая молекула воды , обладающая двумя положительными и двумя отрицательными зарядами способна образовать 4 водородные связи, т.е соединения положительно заряженного ядра водорода (протона), химически связанного в одной молекуле, с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы.

Характерной особенностью молекул воды является их свой­ство объединяться в агрегаты, т. е. совокупности, состоящие из нескольких молекул. Это свойство молекул воды объясняется значительной их полярностью, являющейся следствием нерав­номерного распределения электрических зарядов в самой мо­лекуле воды; на стороне молекулы с атомом кислорода заме­чается некоторый избыток отрицательного заряда, а на другой (противоположной) стороне, где расположены атомы водо­рода, - избыток положительного заряда электричества.

Вода, находящаяся в парообразном виде, состоит главным образом из однородных простых молекул, имеющих формулу Н ₂0. Простую, не объединившуюся с другой молекулу Н₂0 на­зывают гидролем. Агрегат из двух простых молекул (Н₂0)₂ называют дигидролем, а совокупность трех молекул (Н₂0)₃ - тригидролем. Жидкая вода является смесью гидроля, дигидроля и тригидроля. Таким образом, вода в жидком состоянии наряду с простыми молекулами Н₂0 всегда имеет агрегаты, состоящие из нескольких молекул, которые непре­рывно возникают и распадаются. Данные таблицы 1 показывают, что при из­менении температуры воды соотношение между количеством простых молекул и объединившихся в агрегаты меняется. Этим объясняются некоторые аномалии физических свойств воды. Лед состоит преимущественно из молекул тригидролей.

Таблица 1

Соотношение количества различных молекул воды

(в процентах) при разной температуре

Молекулы	Температура, °С
	0	4	38	98
Н2O	19	20	29	36
(Н2O)2	58	59	50	51
(Н2O)3	23	21	21	13
	100	100	100	100

Присущие воде водородные связи примерно в 10 раз прочнее межмолекулярных взаимодействий, характерных для большинства других жидкостей. Поэтому на преодоление этих связей при плавлении, испарении и нагревании воды необходимо гораздо больше энергии, чем для других жидкостей, что определяет аномальные тепловые свойства воды.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов. Водород – ¹H-протий, ²H-дейтерий (тяжелый водород), ³H- тритий(сверхтяжелый, радиактивный). Кислород – ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. Природная вода представляет собой смесь вод различного изотопного состава. Наиболее распространена вода состоящая из изотпов наименьшего атомного веса ¹H₂¹⁶O. Остальные виды воды называют тяжелой водой. Вода с изотопным составом ³H₂¹⁶O называют сверхтяжелой водой. ЕЕ на земле всего 13-20 кг.