Гидросфера и свойства воды

 

Мировой океан, занимающий 71% поверхности Земного шара, насквозь пронизан жизнью и играет исключительную роль в биосфере.Масса воды в современной гидросфере достигает 1,51∙10¹⁸ т. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане – 1,42∙10¹⁸ т (это 97% всей воды) и в материковых льдах – 0,023∙10¹⁸ т (2% всей воды). На пресные воды суши приходится около 10¹⁵ т. В реках и озерах содержится всего 0,01% от общего количества воды на Земле.Остальная часть в основном расположена под землей (грунтовая вода). Особая часть гидросферы – это почвенно-грунтовые воды, химический состав которых может быть разным.

Вся вода планеты представляет собой пропитанное газами единое и неразрывное целое, охватывающее сушу и тропосферу. Вода является наиболее ценным ресурсом в мире. Она является главным компонентом всех живых организмов, составляя 70% массы тела взрослого человека и от 50 до 90% массы всех растений и животных.

Океаническая вода принадлежит к группе соленых вод, она непригодна для питья, орошения и промышленного использования.На Земле в целом имеется достаточное количество пресной воды, однако из-за неравномерности её распределения и использования некоторые регионы мира испытывают её недостаток.

Все природные воды представляют собой растворы различных концентраций. Вода, содержащая до 0,1%(1000 частей на миллион) растворенных твердых веществ, называется пресной. Концентрация твердых веществ в морской воде примерно 3,5% (35 ppm). В морской воде катионом с наибольшей концентрацией является натрий (Na⁺), а анионом с наибольшей концентрацией является хлорид (Cl^-). В пресной воде преобладающими катионами являются Ca²⁺ и Mg²⁺, а преобладающим анионом - бикарбонат (HCO₃^-).

Вода – редчайшее, уникальное вещество, загадки которого спрятаны в строении молекулы и межмолекулярной структуре. Элементарная структурная единица воды плоская. Межатомные связи в ней образуют равнобедренный треугольник с углом при вершине 104 градуса (рис. 3.7). В кубике воды со стороной размером 1см находится 3,3·10²² молекул.Молекула воды – диполь, полярность которой обусловлена конфигурацией электронного облака. Наибольшая плотность электронов создается вблизи атома кислорода, а вблизи атомов водорода наблюдается избыток положительного заряда. В результате между молекулами воды образуются прочные водородные связи с энергией до 33 кДж/моль.

Химические элементы, из которых состоит вода, достаточно простые и распространенные на Земле и в Космосе. Атом водорода состоит из протона и электрона. Этот элемент не имеет даже одной заполненной электронной оболочки.

Сегодня известны и изучены три изотопа атома водорода: протий (атомная масса 1), дейтерий (атомная масса 2), тритий (атомная масса 3). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона. В воде на 5500 атомов протия приходится 1 атом дейтерия.

Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов. Тритий – это радиоактивный элемент, излучающий бета-частицы и превращающийся в изотоп гелия с массовым числом 3. Его период полураспада12,3 лет. В воде на 10¹⁸ атомов протия приходится 1 атом трития.

Кислород – это не менее замечательный элемент: он не досчитывает двух электронов для заполнения своей второй электронной оболочки. Отсюда у кислорода ярко выраженный атакующий характер. Он является одним из наиболее активных элементов в природе.В настоящий момент выявлены три изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. Самым распространенным является изотоп с атомной массой 16: на каждые 3150 атомов приходится 5 атомов изотопа и 1 атом изотопа .

Благодаря наличию нескольких изотопов водорода и кислорода и тому, что каждый изотоп водорода способен соединиться с любым изотопом кислорода в соотношении 2:1, существует 9 типов достаточно устойчивых молекул воды. Вода – это смесь нескольких разновидностей воды с общей формулой H₂O, представляющих собой соединения трех изотопов кислорода и трех изотопов водорода. Смесь этих вод и образует реальную гидросферу. Например, в обычной природной воде содержится 0,017% хорошо изученной тяжелой воды ( ₂О) или 0,15 мл на литр природной воды.

Тяжелая вода кипит при 101,4^оС, а замерзает при –3,8^оС. Тяжелая вода испаряется медленнее, чем обыкновенная, поэтому взамкнутых водоемах происходит обогащение тяжелой водой, которая угнетает растения, а в больших дозах вызывает их гибель. Если семена растений поливать тяжелой водой – они не прорастут, если тяжелой водой поить животных – они умрут от жажды.

Рис. 3.7. Структура молекулы воды

 

Молекула воды имеет угловое строение. Входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине – ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния (O–H) составляют 96 пм, расстояние между атомами водорода равно примерно 150 пм.

Молекулы воды оказываются чрезвычайно устойчивыми, поскольку атомы кислорода и водорода связаны друг с другом посредством электронных пар. Это так называемая ковалентная связь. Такую молекулу трудно разрушить, поэтому она способна существовать в условиях сильных воздействий, например в космосе и в мантии Земли. Однако при температуре выше 1000^оС водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород – происходит термическая диссоциация.

Вода – реакционноспособное вещество: оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты. Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся в газообразном состоянии, образуя при этом газогидраты. Примерами могут служить соединения (C₂H₆·6H₂O) и (C₃H₈·17H₂O), которые выпадают в виде кристаллов при низких положительных температурах. Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа (гостя) межмолекулярных полостей в структуре воды (хозяина).

Во льду все молекулы воды связаны между собой и образуют ажурную решетку, пронизанную пустотами. При таянии и последующем повышении температуры «льдистая» структура постепенно разрушается. Эта гипотеза хорошо объясняет аномалию льда – его меньшую плотность по сравнению с жидкой водой, а потому способность в ней плавать.

Плотность воды при переходе её из твердого состояния в жидкое возрастает, потому что при плавлении льда упаковка молекул воды становится более плотной. По мере нагревания обломков структуры льда в воде становится меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности. В интервале от нуля до 4^оС этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4^оС преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4^оС вода обладает максимальной плотностью.

Ассоциаты льдистой структуры после таяния разрушается не сразу, а сохраняется в виде фрагментов вплоть до температуры кипения. У воды, полученной после таяния льда, и у воды, полученной конденсацией пара, микрокластеры имеют разное строение.

Вода некоторое время «помнит» оказанное на неё физическое воздействие. Изменения в свойствах воды происходят при воздействии на неё магнитного и электрического полей, звуковых сигналов, радиации, температурных воздействий, турбулентности. Эта «записанная» водой информация оказывает влияние на живые организмы и на человека, в теле которого до 70% воды. Поэтому человеку и другим организмам не безразлично какую воду и с какой «памятью» они пьют.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется аномально высокая теплоемкостьводы: 4,18 Дж/ (г·К),которая примерно в 10 раз больше, чем у горных пород, слагающих земную кору. Чтобы перевести воду из жидкого состояния в парообразное или из твердого состояния в жидкое, надо затратить большое количество энергии, необходимое для разрушения её межмолекулярной структуры. Чтобы превратить лед в воду, надо затратить 332,4 Дж/г, а для превращения воды в пар требуется 2258,5 Дж/г.

Рис. 3.8. Фазовые переходы воды

Теплота плавления и испарения воды больше, чем у всех других известных веществ. Причина этого связана с водородными связями. При плавлении льда и испарении воды должны быть разорваны водородные связи, а для этого требуется затратить значительные количества тепловой энергии. Чтобы расплавить лед, необходимо разорвать около 15% водородных связей, после чего трехмерная кристаллическая структура разрушается на отдельные агрегаты и образуется талая вода. Чтобы испарить эту воду, необходимо разорвать сохранившиеся в жидкой воде 85% водородных связей.

Тот факт, что для испарения небольшого количества воды требуется большое количество теплоты, помогает эффективно охлаждать тело человека за счет потоотделения. Высокая величина теплоты испарения воды позитивно влияет на климат планеты, сглаживая колебания температур дневной и ночной, а также летней и зимней.

Растворенные в воде вещества изменяют её структуру и свойства. Морская вода замерзает при температуре минус 1,9^оС, но лед из морской воды образуется пресный. Плотность морской воды при нуле градусов равна в среднем 1,03 г/см³.

Если в воду попадают тонкодисперсные частицы, то молекулы воды, вступая в контакт с адсорбирующей поверхностью, связываются этой поверхностью, выделяя при этом внутреннюю кинетическую энергию – теплоту смачивания. При выпадении на поверхность воды 1 г тонкоразмолотых частиц некоторых минералов выделяется до 3350 Дж тепла. В океанах есть зоны, где выпадение частиц отмечается как постоянное явление. Наиболее интенсивно оно происходит в Атлантическом океане к западу от Африки. Там над океаном протягивается шлейф эоловых частиц из Сахары. Глобальная масса эоловых частиц, ежегодно поступающая в Океан, оценивается в 4 млрд. тонн. Это может дать тому региону 20·10¹⁶ Дж дополнительного тепла.

Атмосферный диоксид углерода, современная концентрация которого в атмосфере превышает 370 ppm или 0,037%, растворен во всех природных водах. Самая большая доля СО₂ в природной воде возникает в результате разложения органических материалов бактериями. Диоксид углерода образует в природной воде слабую угольную кислоту:

СО₂ + Н₂О ↔ НСО₃⁻ + Н⁺.

Анион НСО₃⁻ может действовать как кислота, отщепляя протон:

НСО₃⁻ ↔ СО₃²⁻ + Н⁺.

Распределение карбонатных ионов в воде зависит от водородного показателя рН следующим образом:при значениях рН менее 5,5 в воде преобладает СО₂;при рН в интервале от 6,5 до 10 в воде преобладает бикарбонатный ион НСО₃⁻;при высоких значениях рН более 10,5 в воде преобладает анион СО₃²⁻.

При кислотно-основном равновесии дождевой воды с воздухом атмосферы, содержащем 0,037% СО₂, значение водородного показателя рН чистой дождевой воды равно 5,64. Таким образом, в природе чистая дождевая вода слегка кислая. Дождевая вода с рН менее 5,6 характеризуется как кислотный дождь.

Сжимаемость воды незначительна, но в то же время примерно в 100 раз больше сжимаемости стали. В большинстве задач воду можно рассматривать как несжимаемую среду. Но сжимаемость воды сказывается на положении уровня водной поверхности Мирового океана. Если бы вода была абсолютно несжимаема, то отметка уровня воды в океанах поднялась бы примерно на 30 м.

Скорость распространения звука в воде 1400 м/с.При температуре 20^оС и атмосферном давлении в воде содержится 1,6% растворенного воздуха по объему. С увеличением температуры растворимость воздуха в воде уменьшается.

Поверхностное натяжение представляет собой отнесенную к единице площади дополнительную энергию, которой обладают молекулы поверхностного слоя. При 20^оС и контакте с воздухом поверхностное натяжение для воды равно 0,0726 Н/м. Это из всех жидкостей наибольшее значение, что существенно для физиологии клетки.

Теплоёмкость воды равна 4,184Дж/г·К – это самая высокая теплоемкость среди всех известных веществ. Например, удельная теплоемкость мрамора в 5 раз меньше (0,85 Дж/ г·К), а железа (0,45 Дж/ г·К) – в 9 раз меньше. Высокая теплоемкость воды позволяет телу человека легче поддерживать постоянную температуру, поглощая и выделяя значительное количество тепловой энергии во внешнюю среду. Высокая теплоемкость воды важна для стабилизации климата Земли. Океаны способны поглощать летом большое количество солнечного тепла без заметного глобального повышения температуры и отдавать это тепло зимой. Осенью скрытая теплота замерзания тормозит процесс установления зимы. Таким образом, вода является регулятором температуры на Земном шаре.