Глава 9. Гідрофізичні фактори у водних екосистемах

9.1. Фізико-хімічні властивості води та їх екологічне значення

До гідрофізичних факторів водних екосистем належать перш за все, сама вода як життєве середовище, її температурний і термічний режим, наявність завислих і розчинених речовин та характер донних ґрунтів.

Вода — найважливіша середовищеутворююча речовина, вплив якої на життєдіяльність організмів багатосторонній. Саме завдяки особливим властивостям води як універсального розчинника неорганічних і органічних речовин вона стала середовищем зосередження життя на Землі.

Молекулярна структура води, здатність до утворення розчинів неорганічних і органічних електролітів, питома теплоємність, велика прихована теплота плавлення та пароутворення зумовлюють особливу придатність води для тієї ролі, яку вона відіграє у водних екосистемах взагалі та для їх біологічних компонентів зокрема.

Вода — рідина без запаху, смаку і кольору, щільністю 1,000 г/см³ при температурі 3,98 °С. При О °С перетворюється у лід, а при 100 °С — у пару. Молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. У природі існує шість ізотопних форм кисню і три — водню. Тому можуть існувати 36 ізотопних форм води, серед яких дев'ять найпоширеніші у природі. До 99,7 % природної води утворено за рахунок молекули ¹H₂¹⁸O. На ізотопні форми ¹H₂¹⁸O припадає не більше 0,2 %. Ще менше молекул води, до складу яких входять тритій, дейтерій та ізотоп кисню (важка вода).

Молекула води має два позитивних і два негативних заряди, які розташовані на різних вершинах тетраедра (рис. 99). Завдяки такому розміщенню зарядів визначається дипольний характер молекули води і її властивості розчиняти органічні і неорганічні речовини, утворювати електроліти та найбільш важливі для життєдіяльності гідробіонтів гази. Зближуючись різноіменними полюсами, молекули води утворюють своєрідну шароподібну структуру, в якій існують численні порожнини.

Цим пояснюється те, що щільність льоду менша від одиниці, внаслідок чого він утримується на поверхні водойм.

При взаємодії з іонами вода утворює гідратну оболонку. Під гідратацією розуміють сукупність енергетичних і структурних змін, які відбуваються у системі в процесі переходу газоподібних молекул та іонів у рідке середовище з утворенням розчину певного складу.

Для розуміння фізико-хімічних процесів, які постійно відбуваються у водному середовищі, важливо більш детально проаналізувати особливості взаємодії іон—розчинник. У данному процесі гідратація розглядається як стійке зв'язування іонами певного числа молекул води з утворенням стійких гідратних комплексів. Тобто навколо іона утворюється рівномірна оболонка з молекул води. Така спрощена схема характерна лише для одноатомних іонів (Na, K, Li та ін.). Щодо багатоатомних іонів (CO₃^2- , NO₃^- ), то для них характерною є анізотропна гідратація, тобто взаємодія не тільки за рахунок негативного заряду (молекула води має позитивний заряд), але й завдяки утворенню між ними водневих зв'язків. Наприклад, при взаємодії вуглекислого газу з водою утворюється вугільна кислота, у структурі якої є водень:

СО₂+Н₂О=Н₂СО₃

Молекула вугільної кислоти може перетворитись у негативно заряджений гідрокарбонатний іон (НСО₃^-):

Н₂СО₃= НСО₃^-+Н⁺

У свою чергу гідрокарбонатний іон може втратити ще один іон Н⁺ і стати карбонатним іоном (СО):

НСО₃^-= СО₃^2--+Н⁺

Аналогічний механізм, пов'язаний із взаємодією з молекулами води не тільки за рахунок негативного заряду, а й завдяки утворенню між ними водневих зв'язків, характерний і для іонів NO₃^-.

Найбільш поширені у природних водах аніони мають досить великі розміри, і тому у них немає сформованої первинної гідратної оболонки, а їх зв'язок із водою слабо виражений. Виняток становлять такі багатозарядні іони невеликих розмірів, як SО₄^2- , CO₃^2- , PО₄^3- та ін. Такі ж властивості характерні для ОН^- та F^- (найменший іон серед галогенів).

Під впливом температури та деяких хімічних чинників вода може дисоціювати (іонізуватись) на протилежно заряджені іони водню Н⁺ та гідроксил ОН^-. При взаємодії одного з цих іонів з іншими речовинами вода може перетворитись із нейтральної у кислу (переважають Н⁺) або лужну (переважають негативно заряджені гідроксильні іони ОН^-).

Саме цим пояснюється те, що при підігріванні води її реакція зміщується в кислу сторону за рахунок збільшення позитивно заряджених водневих іонів.

Такі особливості води необхідно враховувати при оцінці можливого впливу температури, іонного складу та розчинених газів не тільки на її фізико-хімічні властивості, але й на біологічні рідини організмів гідробіонтів, які постійно пристосовуються до коливань абіотичних факторів середовища.