Аномальные свойства воды и состав природных вод

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСФЕРЕ

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли. В настоящее время под понятием гидросферы объединяют все виды природных растворов, всю воду, находящуюся в трех различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном), и воду, которая входит в состав химических соединений.

В большинстве случаев природные воды представляют собой неравномерные, открытые (с точки зрения термодинамики) системы. Исключение составляют лишь отдельные ограниченные объемы подземных вод. Однако для описания процессов, протекающих в природных водах, часто используют законы равновесной термодинамики.

Общие запасы воды на Земле составляют 1,386·10⁹км³. Но не в связи с огромным количеством, а исключительно благодаря ряду аномальных характеристик, соединение водорода с кислородом Н₂О выделено в самостоятельную оболочку. Среди аномальных свойств воды, играющих важную роль в поддержании жизни на Земле, нужно отметить следующие.

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4ºС (0,999973 кг/м³). В зимний период, когда водоем охлаждается до 4ºС, до более низких температур смогут охладиться только более легкие поверхностные слои. Лед легче воды, и он будет плавать на поверхности водоема. Лед и покрывающий его снег являются хорошей защитой водоема от промерзания.

Удельная теплоемкость воды. Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ (кроме NH₄ и H_{2 ж}) С_р=75,83 Дж/моль·К при 273 К. Благодаря огромной теплоемкости воды океаны сглаживают колебания температуры, и перепад температур от экватора до полюса в Мировом океане составляет всего 30 К.

Удельная энтальпия плавления. Н_пл=6,012 кДж/моль при 273 К. Это значение является наиболее высоким среди твердых и жидких тел, за исключением NH₃ и Н_2(ж). Благодаря высокой теплоте плавления Н₂О на Земле сглаживаются сезонные переходы.

Удельная энтальпия испарения. Н_кип=40,683 кДж/моль при 373 К. Это высокое значение Н_кип приводит к тому, что большая часть энергии Солнце, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву ее поверхности. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии.

Поверхностное натяжение. Вода имеет аномально высокое поверхностное натяжение (=71,9·10^-3Дж/м² при 298 К). Это свойство воды проявляется при образовании капель, тумана и осадков. С высоким поверхностным натяжением воды связаны и капиллярные силы, благодаря которым вода способна подниматься на высоту 10-12 м от уровня грунтовых вод.

Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость воды имеет аномально высокое значение, равное 78,3 при 298 К. Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды, человек всегда имеет дело с растворами. Даже самые чистые атмосферные осадки содержат до 5 мг/л растворенных солей.

Компоненты химического состава природных вод. Компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп:

1. Главные ионы (макрокомпоненты), к которым относятся К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-(CO₃^2-). Главные компоненты составляют основную часть минерального состава природных вод: в пресных водах свыше 90-95%, в высокоминерализованных – свыше 99%. В маломинерализованных водах преобладают HCO₃^- и Ca²⁺, в высокоминерализованных водах – Cl^- и Na⁺, ионы Mg²⁺ занимают промежуточное положение между Na⁺ и Ca²⁺ так же, как ионы SO₄^2- – между HCO₃^- и Cl^-. Изменение состава воды соответственно величине общей минерализации объясняется различием в растворимости хлоридов, сульфатов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов.

Малая растворимость карбонатных солей кальция ограничивает концентрацию HCO₃^- и CO₃^- в пределах до 1000 мг/дм³. Сравнительно небольшая растворимость сульфата кальция (0,204%) также ограничивает в определенных пределах содержание SO₄^2-. Лишь концентрация Cl^- в силу хорошей растворимости солей хлороводородной кислоты может достигать высоких значений.

Таким образом, смена преобладающих ионов по схеме: