Лекция 1

ВОДА – УНИКАЛЬНОЕ ВЕЩЕСТВО.

ГИДРОЛОГИЯ.

Часть А Вода – уникальное вещество

Часть Б Гидрология и ее научные дисциплины

Часть А Вода – уникальное вещество

Вода, у тебя нет вкуса, нет цвета, нет запаха, тебя невозможно описать;

люди тобою наслаждаются, при этом не ведая, что ты есть такое…

Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты есть сама жизнь

Антуан де Сент-Экзюпери

В 1780 г Кавендиш и Лавуазье установили, что вода – простейшее и устойчивое в обычных условиях химическое соединение двух атомов водорода и одного атома кислорода. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без вкуса и без запаха.

Почти все физико-химические параметры воды не имеют аналогов в природе. Некоторые из этих аномалий имеют определяющее значение для формирования климата и рельефа нашей планеты, жизни человека, животных и растений. Если бы не эти "ненормальные" свойства, живые организмы не могли бы сохранять температуру своего тела, усваивать питательные вещества, то есть жизнь на планете Земля в современной ее форме была бы просто невозможна!

Половина всей крови человека - чистейшая дистиллированная вода. Мышцы человека на 75% состоят из воды. Вода является важнейшим пищевым продуктом. Дегидратация, или потеря организмом воды, нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, клеточный метаболизм и терморегуляцию.  Потеря всего 3% воды организмом лишает человека возможности бегать. Потеря 5% воды лишает возможности тренироваться. А потеря организмом 10% воды представляет опасность для жизни.

Физические свойства воды и их значение

• Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 градусов по Цельсию плотность ее увеличивается. При 4 градусах вода имеет максимальную плотность. При дальнейшем нагревании ее плотность снова уменьшается. Замерзание воды сопровождается не сжатием (как у других жидкостей), а наоборот – расширением. Затвердевая, вода становится менее плотной – поэтому лед плавает, а не тонет. Лед тем самым защищает нижележащие слои воды от дальнейшего охлаждения и замерзания. Таким образом, жизнь в воде продолжается.

• Высокая, по сравнению с соединениями водородас похожим молекулярным весом, температура и удельнаятеплота плавления(0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг).

• Высокая теплоёмкостьжидкой воды. В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом,самым главным регулятором температуры на земном шаре.

• Высокая вязкость.

• Высокое поверхностное натяжение.

• Вода практически несжимаема.

• Отрицательный электрический потенциалповерхности воды.

Особенности физических свойств воды обусловлены водородными связями. Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине (радиус молекул воды значительно меньше внутримолекулярного расстояния, т.е. молекулы воды “упакованы” не слишком плотно).

Из-за большой разности электроотрицательностейатомовводородаикислородаэлектронные облакасильно смещены в сторону кислорода, тогда как 2 атома водорода в сумме формируют достаточно большую "площадь» распределения положительного заряда в "углах" молекулы. Несколько таких диполей будут образовывать структуры типа: Н₂О...Н₂О с водородной связью, когда между двумя атомами водорода будет втянут атом кислорода соседней молекулы. При этом общее распределение потенциала будет стремиться к минимизации взаимодействия с внешней средой, следовательно, молекулы воды будут располагаться в пространстве с чёткой ориентацией, в виде пространственных структур разной сложности: от спиралевидных (как у молекул ДНК) до пирамидальных, кубических, сферических разной сложности.

Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода – каждый в одной, а атом кислорода – в двух. Простая, не объединившаяся с другой молекула воды H₂O, называется гидроль, (H₂O)₂ – дигидроль, (H₂O)₃ – тригидроль. В парообразном состоянии вода в основном состоит из молекул гидроля, в жидком состоянии вода – смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, во льду преобладают молекулы тригидроля. При таянии льда часть связей рвётся, при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость.

Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями. По сходным причинам вода является хорошим растворителемполярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные– атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, каждую молекулу растворяемого вещества могут окружить много молекул воды. Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде.^[ Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода – хороший изолятор. Но поскольку вода– хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действиямикроволновой печи.