Фундаментальні основи гідрологічних досліджень
Досягнення фундаментальних наук, виражені у найбільш загальних закономірностях та теоретичних уявленнях, знаходять широке застосування в різноманітних дослідженнях. Дослідження природи Землі, і зокрема гідросфери, неможливі без застосування знань про фізичні та хімічні властивості води, закони її спокою та руху. Вони, звичайно, не вичерпують весь спектр фундаментальних основ, але дають необхідні первинні уявлення для розуміння матеріалу другої і частково третьої частини підручника.
У цьому розділі також не розглянуто застосування фундаментальних законів збереження, оскільки балансові методи, що базуються на них, будуть описані у наступному.
1.2.1. Молекули та надмолекулярні структури води
Вода (Н2О) це найпростіша стійка сполука водню (11,19%) та кисню (88,81%). Молекулярна вага звичайної води 18,01629. При нормальних температурі та тиску і відсутності каталізаторів вода з елементів не утворюється. При 300°С реакція протікає повільно, а при 550°С — з вибухом. Молекула води термічно стійка. Розпад її на елементи досягає значної величини тільки при температурах зверх 2000°С. При температурах порядку 4000-6000°С термічна дисоціація стає практично повною і водень втрачає здатність з’єднуватися з киснем. Таким чином в Земних умовах вода може утворюватися в межах верхньої мантії і, мігруючи до поверхні, залишається термічно стійкою речовиною.
Спрощену модель молекули води представляють у вигляді рівнобедреного трикутника. Для водяної пари вона має такий вигляд. Відстань між атомами водню складає 0,151 нм = 1,51А° (ангстрем) = 1,51 Ч 10-7 мм. Згідно з квантово-хімічними розрахунками, в молекулах, близьких за хімічним складом до води (Н2S; Н2Sе; Н2Те), валетний кут дорівнює приблизно 90° і визначає нормальний ковалентний зв’язок між протоном (ядром водню) і ядром елементу кисневої групи. Але вода не підкоряється загальним правилам. Її властивості особливі і досі не повністю вивчені. Таку значну різницю валентного кута (105°-90°) важко пояснити. Існує теорія гібридизації, згідно якої S та Р орбіталі атомів кисню та водню, змішуючись, дають нові гібридні орбіталі. Це приводить до утворення більш міцних ковалентних зв’язків за рахунок Sр3 гібридизації атома кисню. Вісі чотирьох гібридних орбіталей розташовані по тетраедру. Кут між ними складає 109°. Дві з них перекриваються атомними орбіталями водню, утворюючи з атомом кисню ковалентний зв’язок. Це дуже міцні зв’язки. (Ось чому аж до XVIII століття воду вважали простою речовиною). Неподілені пари електронів кисню впливають на електрони у ковалентних зв’язках, відштовхують їх і сприяють зменшенню валентного кута від 109° до 105°. Найкраще вивчена структура молекул льоду та водяної пари. Найгірше — рідкої води.
Як бачимо з моделей, атом кисню в молекулі води притягає до себе електрони і стає від’ємно зарядженим. Атоми водню, віддаючи електрони, стають позитивно зарядженими. Тому молекула води стає електричним диполем. Вода має велику діелектричну проникність, що сприяє розщепленню молекул інших речовин, створює велику розчинну здатність води.
Згідно до сучасних поглядів при взаємодії атомів водню одної молекули з атомами кисню іншої (сусідньої) виникають так-звані водневі (міжмолекулярні) зв’язки (Дж. Бернал, Р. Фаулер, 1933 р.). Це пояснюється тим, що ядро водню не зазнає відштовхування від електронної оболонки кисню сусідньої молекули, а, навпаки, притягається нею і може вступити з нею у взаємодію. Існує думка, що водневі зв’язки утворюються за рахунок дисперсійних сил, ковалентного зв’язку та електростатичної взаємодії. За іншими поглядами вони мають виключно електростатичну природу. Водневі зв’язки дуже міцні, приблизно у десять раз міцніші ніж міжмолекулярна взаємодія у більшості рідин. Вони приводять до утворення специфічних надмолекулярних структур. Наявність їх у воді робить її особливою і складною для вивчення речовиною. Будова та властивості води ще вивчаються. Надмолекулярні структури постійно створюються та руйнуються. Ці процеси залежать від певних умов. Найбільш стійкі структури льоду.
Кожна молекула води вступає у чотири міжмолекулярні зв’язки. З одного боку до атому кисню притягаються ядра атомів водню двох інших молекул, а з другого, ядра атомів водню даної молекули притягаються до атомів кисню ще двох інших. Таким чином кожна молекула взаємодіє з чотирма оточуючими. Структура, що виникає, називається тетраедричною (рис. 1.12). Надмолекулярні структури в водяній парі не утворюються. У рідкій воді вони різноманітні і динамічні. Найбільше вони характерні для кристалічної води — льоду. Існують різновиди льоду за структурою. Характерною є відкрита кристалічна структура гексагональної симетрії так-званого льоду І. Вона має “порожнини-канали”, і її щільність менша ніж у рідкої води. Це одна з аномалій фізичних властивостей води у порівнянні з більшістю речовин. Нагадаємо, що тверда, кристалічна фаза завжди має більшу густину ніж рідка. Аномалії води пов’язані саме з її надмолекулярною структурою.
Зокрема це приводить до того, що найбільша густина спостерігається приблизно при 3,98°С. Пояснення цієї аномалії полягає в тому, що на густину впливають два протидіючих процеси. З одного боку “упаковка” води після танення льоду ущільнюється за рахунок руйнування рихлих надмолекулярних структур (причому процес іде відносно поступово). З другого — при підвищенні температури збільшується кінетична енергія молекул, що впливає на потенційне збільшення середньої відстані між ними. Цей процес реалізується (переважає) при переході через температуру найбільшої густини.
Найбільш важливими аномаліями властивостей води вважають наступні:
1. З кінетичної теорії речовини випливає, що при підвищенні температури густина тіла повинна зменшуватися. У води в інтервалі 0°С-3,98°С вона збільшується.
2. При замерзанні вода не зменшує, а збільшує свій об’єм (майже на 10%). Лід плаває (має плавучість).
3. Вода характеризується надзвичайно великою питомою теплоємністю. Зв’язок її з температурою неоднорідний, різнонаправлений.
Лід має приблизно вдвічі меншу питому теплоємність ніж рідка вода. Далі приблизно до 37°С вона зменшується, а потім знову (поступово) наростає. Природні води є найбільшим енергоносієм біосфери та географічної оболонки.
4. Питома теплота плавлення та пароутворення також надзвичайно велика завдяки необхідності руйнування водневих зв’язків. Вони є причиною великої внутрішньої (захованої) енергії, яка виділяється в оточуюче середовище при конденсації або замерзанні.
5. Температури замерзання та кипіння води надзвичайно високі, порівняно з аналогічними речовинами. З іншого боку вода здатна до значного переохолодження. Крім того, температура замерзання при збільшенні тиску не підвищується, а понижується.
6. Велика діелектрична проникність (81). У інших речовинах 2-8, і у спиртів до 27-35. Внаслідок цього велика розчинна та диссоціююча здатність.
7. Питома теплоємність водяної пари до температури 500°С від’ємна. Тобто при стисненні вона залишається прозорою, а при розрідженні конденсується у дрібні краплі (туман).
8. Коефіцієнт заломлення світла при 20°С для хвиль довжиною 580 нм становить n = 1,333 замість розрахункового n = 9.
9. Коефіцієнт поверхневого натягу найбільший у рідин (крім ртуті). Деякі з цих аномалій також будуть розглянуті далі.
Природні води характеризуються певним різноманіттям ізотопного складу. Воду з дайтерією (D2О) називають важкою. Воду з тритію (Т2О) називають надважкою. Деколи розрізняють воднево та киснево важку воду. Масу Т2О на всій Землі оцінюють у 13-20 кг. За Дітрихом вміст молекул з різними ізотопами у природних водах такий:
Фізичні властивості D2О відрізняються від звичайної води. Наприклад для неї температура найбільшої густини 11,6°С, температура замерзання 3,8°С.