Вода и ее уникальность

Водород (“родящий воду”) составляет 93 % атомов Вселенной, но его кислородное соединение – вода - вещество во вселенских мас­штабах гораздо более редкое. Из планет солнечной системы следы воды обнаружены в атмосфере Юпитера. Значительные запасы замерзших поверхностных вод в виде меняющих свою площадь ледяных "шапок" обнаружены на Марсе. Однако можно считать доказанным отсутствие другого земного феномена на этих плане­тах - жизни, а именно вода и жизнь создают всю специфику гео­логических и гидрогеологических условий, отличающих нашу пла­нету от других небесных тел.

Только в начале XIX в. стало известно, что представляет собой вещество, называемое водой. Опытами Г. Кавендиша, А. Лавуазье, А. Гумбольдта, Ж. Л. Гей-Люссака было доказано, что вода образуется из двух объемов водорода и одного объема кислорода, т. е, имеет химическую формулу H₂O и моле­кулярную массу 18. Постепенно, однако, становилось ясно, что почти по всем своим физико-химическим параметрам это вещество уникальное, резко отличающееся от других природных соединений.

Рис 6

Температуры кипения и плавления воды при атмосферном дав­лении соответственно 100 и 0^о С, на них основываются принятые системы отсчета температур. Другие водородные соединения группы кислорода (H₂S, H₂Se и Н₂Те) кипят при отрицательных температурах (-61, -42 и – 4 °С), а плавятся при температурах —82, —64 и —51 °С, причем эти температуры ложатся на плавные линии (в зависимости от молекулярной массы веществ), экстрапо­ляция которых дает теоретические температуры кипения и плавления воды порядка —70 и —100 °С. Согласно общим закономерностям, определяемым периодическим законом, вода при стандартных условиях (t=25 °С и р=0,1 МПа) должна была бы быть дурно пахнущим газом. Впрочем, если бы вода утратила аномальность температуры плавления и кипения, сами “стандартные условия” стали бы другими (поскольку вода регулирует температурный и газовый режим нашей планеты).

Теплоемкость воды — самая высокая из всех жидкостей и со­ставляет 4,19 Дж/^ОС; на ней также основана система отсчета зна­чения теплоемкости. Для сравнения: теплоемкость этилового спирта 0,53, бензола 0,39, песка приблизительно 0,2. Это означает, что вода медленно нагревается и медленно остывает, в результате чего она становится главным регулятором климата на Земле. Влияние Мирового океана сказывается практически во всех точках Земли, даже наиболее удаленных от морских берегов и характеризую­щихся так называемым континентальным климатом. Подсчитано, например, что если бы вся Земля была покрыта океаном, годовая амплитуда температуры воздуха изменялась бы от 0 на экваторе. до 5-6 °С на полюсах.

С высокой теплоемкостью воды связаны и такие показатели как скрытая теплота плавления, составляющая 333,7•10³ Дж/кг и скрытая теплота парообразования, составляющая 2258•10³ Дж/кг, т.е. для превращения 1 кг льда в жидкость и 1 кг жидкой воды в пар нужны огромные затраты энергии (для бен­зола, например, эти показатели соответственно 126,9•10³ и 394,8•10³ Дж/кг). Перечисленные показатели характеризуют вы­сокую энергоемкость воды, определяющую ее исключитель­ную роль как аккумулятора энергии для природных процессов.

Вода обладает самой высокой из всех жидкостей диэлектриче­ской постоянной (80,1 при t = 20 °C). Это означает, что при раст­ворении в воде солей сила электрического взаимодействия между разноименно заряженными ионами уменьшается в 80 раз, в ре­зультате чего соли диссоциируют на ионы. Явление электролитической диссоциации имеет исключительно важное значение, пред­определяя большинство свойств водных растворов, и, в частности, одно из главных - инертность воды как растворителя: разлагая соли на ионы, вода в большинстве слу­чаев сама не участвует в химических реакциях с растворенными веществами, и они могут быть вновь получены при выпаривании водного раствора. Эта особенность воды имеет колоссальное гео­логическое и биологическое значение, определяя водные кру­говороты самых разных порядков, от измеряемых несколькими часами (в живых организмах) до измеряемых миллионами лет (геологические).

В отличие от других жидкостей вода обладает максимальной плотностью (1,0 г/см³) не при температуре плавления, а при 4°С; при охлаждении от 4°С до 0 вода расширяется. Пресный лед при 0°С имеет плотность 0,918 г/см³. Удивительное свойство льда не тонуть в собственном расплаве характерно только для воды. Благодаря ему водоемы замерзают с поверхности и об­разовавшаяся ледяная корка защищает живые организмы от ги­бели. Гидрогеоло­гическое значение этого явления также огромно: зимой сохраня­ются главные базисы дренирования водоносных горизонтов.

Таким образом, по всем своим параметрам вода является ве­ществом уникальным; аномальные свойства предопределяют осо­бую миссию воды в формировании геологического лика нашей пла­неты и в появлении и поддержании удивительного явления — жизни на Земле.

12