Физико-химические свойства воды и их значение для природных процессов

Вода — простейшее химическое соедине­ние водорода с кислородом. Химически чистая вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода (по весу). Вода — самое распро­страненное и самое необыкновенное вещест­во на Земле благодаря своим аномальным свой­ствам. В земных условиях только вода нахо­дится в трех физических агрегатных со­стояниях: твердом (лед, снег), жидком (вода) и газообразном (пар). В парообразном состо­янии (при температуре 100°С) вода состоит главным образом из простых молекул, назы­ваемых гидролями (Н₂О). В жидкой фазе во­да представляет собой смесь гидролей (Н₂О) двойных молекул — дигидролей (Н₂О)₂ и трой­ных молекул — тригидролей (Н₂О)₃.

В твер­дой фазе (лед) в воде преобладают тригидроли (Н₂О)₃. Переход воды из одного состояния в другое происходит быстро и сопровождает­ся или поглощением тепла (при испарении, таянии льда и снега) или выделением тепла (при конденсации и сублимации водяного па­ра, при замерзании воды), но на температуру самой воды (льда) это не влияет. При этом скачкообразно изменяются физические и хи­мические свойства воды. Химически чистая вода при нормальном атмосферном давлении 760 мм (1013 гПа) кипит при 100 °С, замер­зает при О°С (это и температура плавления льда), имеет наибольшую плотность при тем­пературе +4 °С.

Теплоемкость. Вода — одно из самых теплоемких в природе тел. Удельной теплоем­костью вещества называется количество теп­лоты, необходимое для нагревания 1 кг веще­ства на 1 °С. Вследствие высокой теплоемко­сти воды океанов, морей и озер поглощают огромное количество тепла летом, являясь его мощными аккумуляторами. Зимой воды, охлаждаясь, отдают тепло в атмосферу. Этим объясняется большое умеряющее (летом охлаждающее, зимой отепляющее) влияние океанов и морей на климат прилегающих материков в умеренных и высоких широтах. В экваториально-тропических теплоэнергети­ческих зонах вода нагревается весь год и тепло морскими течениями и воздушными потоками передается в умеренные и полярные широты. Это перераспределение тепла имеет огромное климатическое значение.

Для воды характерны высокие значения теплоты испарения (597 кал/г) и тепло­ты плавления (79,4 кал/г). Эти свойства очень важны для живых организмов. Высокая теплота испарения обеспечивает защиту их от перегрева, а большая теплота плавления — от переохлаждения.

Теплопроводность воды весьма незначи­тельна. Поэтому нагревание воды в естествен­ных водоемах происходит не столько путем мо­лекулярной теплопроводности, сколько путем плотностной конвекции, перемешивания воды вследствие течений и волнения. При отсутст­вии перемешивания воды в озерах наблюда­ется вертикальная термическая слоистость (стратификация). Лед и особенно снег обла­дают еще меньшей теплопроводностью, чем вода. Поэтому лед, возникнув на поверхности водоема, предохраняет воду от дальнейшего охлаждения, а снег — почву от промерзания, бесснежие же губит озимые культуры.

Плотность воды зависит от температуры и солености. Наибольшая плотность химиче­ски чистой воды достигается при температуре +4 °С, а выше и ниже +4 °С плотность воды уменьшается — вода становится легче. Это удивительное аномальное свойство воды по сравнению с другими жидкостями, плотность которых при понижении температуры и за­твердевании увеличивается, объясняется тем, что одиночные молекулы воды Н₂О (моногидроли) могут объединяться и образовывать сложные молекулы: дигидроли и тригидроли. Они более крупные по объему, но относитель­но рыхлые, ажурные по структуре и поэтому более легкие.

При понижении температуры во­ды происходит, с одной стороны, нормальное уменьшение объема и уплотнение воды, вы­званное охлаждением, как у всех жидкостей, а с другой — увеличение объема и соответ­ственно уменьшение плотности воды из-за объ­единения молекул воды в более сложные, но более легкие. При охлаждении воды до +4 °С преобладает первый процесс, при температу­ре +4 °С оба процесса уравновешиваются, по­этому плотность наибольшая, при дальнейшем охлаждении воды ниже +4 °С преобладает вто­рой процесс. Плотностная аномалия воды име­ет громадное значение для природных вод. Во-первых, при осеннем охлаждении пресных во­доемов до +4 °С более холодная и плотная вода с поверхности опускается и обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготав­ливая водоем к зиме. Во-вторых, вследствие этой аномалии водоемы даже в условиях су­рового климата не промерзают до дна, за ис­ключением совсем мелких, поскольку при охлаждении воды ниже +4 °С вплоть до О °С верхние слои воды становятся менее плотны­ми, более легкими и удерживаются на поверх­ности.

Так как молекулярная теплопроводность воды и льда невелика, верхние слои предохра­няют от охлаждения ниже расположенные толщи воды; живые организмы тем самым уберегаются от гибели. Весной после таяния льда и нагревания воды в верхнем ее слое до +4 °С она становится тяжелее, плотнее и опу­скается вниз, обогащая глубинные слои кис­лородом, что очень важно для жизни, так как после зимы запасы кислорода в водоемах ис­тощаются. Но это опускание прекращается по­сле достижения температуры +4 °С, ибо при последующем прогревании поверхностная во­да становится легче. Таким образом, благода­ря плотностной аномалии воды сохраняется жизнь в водоемах в условиях холодных и уме­ренных климатических поясов.

Своеобразным свойством воды является резкое увеличение ее объема при замер­зании. Объем льда примерно на 10% боль­ше по сравнению с первоначальным объемом воды. И наоборот, плавление льда сопровож­дается не расширением, а сжатием и умень­шением объема воды. Это аномальное свой­ство воды объясняется тем, что при пониже­нии температуры воды и переходе ее через О °С происходит быстрое превращение почти всех ее молекул в тригидроли, что сопровож­дается скачкообразным увеличением объема льда. Увеличиваясь в объеме, лед становится менее плотным (плотность льда при замерза­нии воды составляет 0,91 г/см³), а значит, бо­лее легким, чем вода, и всплывает.

Будучи плохим проводником тепла, лед предохраняет глубокие слои воды от замерзания. Свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании играет огромную роль при разрушении горных пород путем физического («морозного») вы­ветривания, поскольку, замерзая в трещинах пород, лед давит на их стенки и разрывает по­роду на мелкие части. Изменение объема во­ды при замерзании и таянии льда создает в области многолетней мерзлоты особый рельеф: бугры пучения при замерзании воды и впадины при таянии льдистых грунтов и линз льда.

Подвижность — характерное свойство жидкой воды. Движение воды происходит под действием силы тяжести, различия плотно­стей, под влиянием ветра, вследствие притя­жения Луной и Солнцем и др. Перемешива­ние воды способствует выравниванию ее температуры, солености, химического состава и т. д. Велика роль движущейся воды в пе­рераспределении тепла в океанах путем мор­ских течений. Благодаря поверхностным теку­чим водам размываются, перемещаются и от­лагаются огромные массы горных пород.

Термическая устойчивость воды весь­ма высока. Водяной пар разлагается на водо­род и кислород только при температуре выше 1000°С в высоких слоях атмосферы.

Поверхностное натяжение. Вода среди жидкостей, кроме ртути, обладает самым боль­шим поверхностным натяжением. Благодаря этому свойству вода поднимается по капилля­рам в грунтах, движется вверх в растениях, обеспечивая соответственно почвообразование и питание растений. Без воды земледелие бы­ло бы невозможно.

Вода — прекрасный растворитель, по­этому все воды представляют собой газосолевые растворы различного химического соста­ва и различной концентрации. Концентрация растворенных в воде веществ характеризует­ся соленостью, обозначается символом 5 и выражается в промилле (%о), т. е. в тысяч­ных долях (граммах вещества на килограмм воды). Соленость пресной воды менее 1%о, остальные воды в той или иной степени со­леные. Большая часть химических элементов находится в воде в виде гидратированных ионов, газы — в виде растворенных молекул. Растворимость газов в воде больше при низ­ких температурах и повышенном давлении. Об­наружилось, что вода изменяет свою раство­ряющую способность под воздействием искус­ственно создаваемого магнитного поля. Растворяющая способность воды обусловли­вает химическое выщелачивание (выветрива­ние) горных пород, обмен веществами между компонентами природы внутри географической оболочки, между сушей и океаном, между ор­ганизмами и средой. Вообще минерализация воды до определенного предела — основа жиз­ни. Химически чистая вода для жизни непри­годна.

Многообразен не только химический и мо­лекулярный, но и изотопный состав при­родных вод, так как кислород и водород име­ют несколько изотопов. В природных услови­ях известны атомы водорода с атомным весом 1 (Н¹ — протий), 2 (Н²=Д — дейтерий) и 3 (Н³=Т — тритий) и атомы кислорода с атом­ным весом 16(О¹⁶), 17(О¹⁷) и 18(О¹⁸). Из со­четания изотопов водорода Н, Д и Т и кис­лорода О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸ образуется девять ви­дов воды. Природная вода — смесь всех этих видов. Причем на долю обыкновенной воды Н₂'О¹⁶ приходится 99,7% на Земле. Все ос­тальные виды воды, кроме обыкновенной, на­зываются тяжелой водой. Наиболее сущест­венно отличается от обыкновенной тяжелая вода Н₂ О¹⁶ (Д₂О). Она имеет молекулярный вес 20, кипит при температуре 101,42°С, замерзает при температуре 0,8 °С, имеет максимальную плотность при 11,6 °С. Тяже­лая вода нашла применение в атомной энер­гетике.

Способность к самоочищению — важ­ное свойство воды. Оно осуществляется в про­цессе течения в реках, волнения в озерах и морях, фильтрации воды через грунт, в про­цессе испарения. Но при загрязнении выше определенных пределов эта способность нару­шается.

Цвет воды. Вода имеет голубоватый от­тенок, но в тонких слоях бесцветна. Оттенки цвета зависят от угла падения солнечных лу­чей, глубины проникновения света и от при­месей.

Прозрачность воды определяется глу­биной погружения белого диска диаметром 30 см. Прозрачность зависит от примесей. При большой прозрачности свет проникает на боль­шую глубину, поддерживая необходимые усло­вия для существования организмов.

Физические и химические свойства воды тесно взаимосвязаны. Особенно сильно изме­няются свойства воды под влиянием темпера­туры и давления. Удивительные свойства во­ды способствовали появлению и развитию жиз­ни на Земле. Благодаря воде совершаются все процессы в географической оболочке.