Строение молекулы воды и химические свойства природных вод

Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и атомом кислорода в вершине. Атом кислорода в моле­куле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем са­мым приобретает отрицательный заряд. Атомы водорода, лишенные электронов, стано­вятся положительно заряженными протонами. Таким образом возникает полярность молекулы воды, т.е. отрицательный заряд со стороны атома кислорода и положитель­ный заряд со стороны атомов водорода.

Положительно заряженное ядро водорода одной молекулы может соединяться с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы. В результате возника­ют так называемые водородные связи, которые у воды (в отличие от других жидко­стей) гораздо прочнее, чем связи, обусловленные, межмолекулярными взаимодейст­виями. Преодоление этих связей при плавлении, испарении, нагревании воды требует гораздо большей энергии по сравнению с другими жидкостями. Это определяет ряд "аномалий" тепловых свойств воды.

Водяной пар состоит преимущественно из одиночных молекул воды без упорядо­ченного строения. Водородные связи не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядоченно. Молекулы составляют гексагональ­ную 'структуру с прочными водородными связями. Эта структура "ажурная", т.е. относительно большое пространство занимают пустоты. Вода в жидком состоянии со­храняет элементы "льдоподобного" каркаса, пустоты которого частично заполняются одиночными молекулами, что обуславливает большую, чем у льда, плотность воды.

Вода — слабый электролит, т.е. ее молекулы способны делиться на ионы (диссоциировать) по уравнению

H₂O↔H⁺+OH^-

При отсутствии примесей концентрации ионов H и OH (в молях на 1 л) равны между собой. При температуре от 0 до 50 [H⁺] = [OH^-]=10^-7. При наличии примесей это равенство может нарушиться. В случае преобладания ионов ОН^- имеет место щелочная реакция воды, при избытке ионов Н⁺ — кислая. Для характеристики реакции использу­ется водородный показатель рН, равный логарифму концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: рН = -lg[H⁺].

В природной воде всегда содержатс растворенные вещества. Их количество в единице объема — минерализация (мг/л), в единице массы - соленость (г/кг, или ‰).

Основную массу растворенных веществ составляют макрокомпоненты, к которым относятся анионы HCO₃^-, катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺. Суммарное содержание Са²⁺ Mg⁺ определяет жесткость воды.

Многие вещества, содержащиеся в природной воде в значительно меньшем количестве, тем не менее играют важную роль в существовании водных экосистем, определяют потребительские свойства воды. Среди них выделяют следующие группы.

Биогенные вещества — соединения натрия, фосфора, кремния, железа, наиболее активно участвующие в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Органические вещества — сложные соединения, образующиеся в результате разложения растительных и животных организмов. Углерод составляет примерно по­ловину их массы, а вместе с кислородом и водородом 95%.

Микроэлементы — вещества, находящиеся в воде в очень малых количествах (менее 0,01 мг/л). К ним, в частности, относятся тяжелые металлы, радиоактивные вещества.