Свойства воды и состав природных вод

 

Общие запасы воды на Земле составляют 1385984610 км³. Но не в связи с огромным количеством, а исключительно благодаря ряду аномальных харак-теристик соединение водорода с кислородом Н₂0 выделено в самостоятельную земную оболочку. Среди аномальных свойств воды, играющих важную роль в поддержании жизни на Земле, нужно отметить следующие.

 

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Мак-симум плотности воды наблюдается при температуре около 4°С. Так, при 0°С дистиллированная вода имеет плотность 0,999841 кг/м³, при 25°С - 0,9977047 кг/м³, а при 4°С плотность дистиллированной воды составляет 0,999973 кг/м³. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4°С, как более тяжелый опускается на дно водоѐма, вытесняя более теплые лѐгкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоѐм охладится до 4°С, будет охлаждаться только поверхностный слой, ко-торый как более лѐгкий будет оставаться на поверхности водоѐма. Лед и по-крывающий его снег являются хорошей защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью. Так, например, свежевыпавший снег при температуре 273К имеет теплопроводность λ =90·10^-3 Вт/(м)·К, а тепло-проводность уплотненного снега близка к теплопроводности строительного

 

 

^* В.И. Вернадский в [4] писал, что все горные породы пропитаны волосными водами, поэтому правильнее считать гидросферу непрерывной оболочкойЗемли.

 

23

войлока λ=44·10^-3 Вт/(м·К). Это способствует сохранению жизни в водоѐмах в средних и высоких широт в зимнее время.

 

Теплоѐмкость воды. Удельная теплоѐмкость воды выше,чем у всехтвѐрдых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода; при 273К Ср = 75,3 Дж/(моль·К). Благодаря огромной теплоѐмкости воды океаны сглаживают колебания температуры, и перепад температур от эква-тора до полюса в Мировом океане составляет всего 30К.

 

Удельная энтальпия плавления. Значение удельной энтальпии плавле-ния воды, равное Нпл = 6, 012 кДж/моль при 273К, является наиболее высо-ким среди твѐрдых и жидких тел, за исключением аммиака и водорода. Бла-годаря высокой теплоѐмкости плавления на Земле сглаживаются сезонные переходы; весну и осень в средних и высоких широтах можно рассматривать как сезон фазовых переходов воды. Сравнительно легко нагреваясь или ох-лаждаясь до 0°С, вода, снег и лѐд для перехода в другое агрегатное состояние требуют значительных расходов энергии, поэтому эти переходы обычно растя-гиваются во времени. Следует отметить, например, что при замерзании 1м³ воды выделяется столько тепла, сколько при сжигании примерно 10 кг угля.

 

Удельная энтальпия испарения. Высокое значение удельной энтальпиииспарения (Нкип = 40,683 кДж / моль при 273К) приводит к тому, что боль-шая часть солнечной энергии, достигающей Земли, идет на испарение воды, препятствуя перегреву еѐ поверхности. При конденсации паров воды в атмо-сфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в ки-нетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ветры, в том числе и ураганные.

 

Поверхностное натяжение. Аномально высокое поверхностное натя-жение воды (α = 71,9 · 10^-3 Дж/м ² при 298 К) приводит к появлению ряби и волн на водной поверхности уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает площадь водной поверхности и интенсифицируются процессы теп-лообмена между атмосферой и гидросферой.

 

С высоким поверхностным натяжением воды связаны и капиллярные си-лы, благодаря действию которых вода способна подниматься на высоту до 10-12 м от уровня грунтовых вод.

 

Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость во-ды 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 атмосфер-ные осадки над Антарктидой содержат до 5 мг/л растворенных солей. А со-

 

24

держание солей в дождевой воде в районах с интенсивной вулканической дея-тельностью достигает 1000 мг/л.

 

Главнейшими природными соединениями,определяющими в основномсостав природных вод, являются: галит - NaCl, гипс - CaSО₄ -2Н₂О, кальцит - СаСО₃ и доломит - CaMg(CО₃)₂.

 

При контакте природной воды с галитом в раствор переходят катионы натрия и анионы хлора. При этом резко увеличивается общее содержание рас-творенных веществ в природных водах. В некоторых случаях в подземных во-дах обнаруживается до 400 г/л NaCl.

 

При контакте с гипсом в природных водах появляются катионы кальция и сульфат-ионы. Общее содержание солей в таких водах обычно составляет 2-3 г/л. Однако в случае совместного присутствия солей гипса и галита, которое наблюда-ется достаточно часто, общее солесодержание может достичь 6-7 г/л.

 

При растворении имеющих широкое распространение в природе карбо-ната кальция и доломита в водном растворе образуются ионы кальция, магния

 

и гидрокарбоната. При контакте с диоксидом углерода общее солесодержание в таких водах достигает 1 г/л.

 

			Таблица 10
Мировые запасы воды [32]
		Доля, %
Вид природных	Объем,
		от общих мировых	от мировых запасов
вод	км³
		запасов воды	пресных вод
Мировой океан	1338000000	96,5	—
Подземные воды	23400000	1,7	—
Преимущественно пресные	10 530 000		30,1
подземные воды		0,76
Почвенная влага	165 000	0,001	0,05
Ледники и постоянный	24 064 100	1,74	68,7
снежный покров
Воды в озерах:
пресных	91000	0,007	0,26
соленых	85 400	0,006
Воды в руслах рек	2120	0,0002	0,006
Биологическая вода	1120	0,0001	0,003
Вода в атмосфере	12 900	0,001	0,04
Общие запасы воды	1385 984 610	100	—
Запасы пресной воды	35 029 210	2,53	100

 

25

Поскольку основное количество воды на Земле содержится в Мировом океане (табл. 10), средний состав природных вод - растворов близок к составу океанической воды.

 

В океанической воде обнаружены практически все элементы, но содер-жание их весьма различно. На восемь элементов - кислород (85,7%), водород

 

(10,8%), хлор (1,93%), натрий (1,03%), магний (0,13%), сера (0,09%), кальций

 

(0,04%), калий (0,039%) - приходится 99,78% массы воды Мирового океана. Все остальные элементы в сумме составляют менее 1% от массы гидросферы.

 

Среди катионов, присутствующих в воде Мирового океана (табл. 11), преобладающими являются (в порядке убывания концентрации):

 

Na⁺ > Mg ²⁺ > Са ²⁺ > К⁺ > другие катионы.

 

Из анионов в воде Мирового океана преобладают:

 

Сl^ˉ > SO^2–4 > НСО^–3 > Вr^– > другие анионы.

 

			Таблица 11
	Средний состав природных вод [32]
Ионы	Содержание, млн -¹*)
	в водах Мирового океана	в речной воде	в дождевой воде
Катионы:
Na+	10560	5,8	1,1
Mg2+	1270	3,4	0,36
Са2+	400	20	0,97
К+	380	2,1	0,26
Анионы:
С1-	18980	5,7	1,1
SO4	2650	12	4,2
НСО	140	35	1,2
Вr	65	-	-
F	1	-	-

*) Для выражения концентрации примеси в растворах, как и для газов, используется понятие миллионной доли (млн-1, или — в англоязычной транскрипции — ррm), однако в случае растворов речь идет о массовой доле. Так, 1 млн-1 (мас.) означает содержание 1 г примеси в 1 т раствора. Уточнение: «(мас.)» часто опускается.

 

В воде открытого океана независимо от абсолютной концентрации количест-венные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны. Эта зависимость впервые была доказана экспериментально по результатам многочисленных анализов проб воды, взятых в различных частях Мирового океана, У. Дитмаром и получила название закон Дитмара.

 

26

Благодаря закону Дитмара можно, определив экспериментально концен-трацию лишь одного «реперного» компонента, рассчитать содержание ос-тальных ионов. В качестве такого «реперного» компонента выбрана достаточ-но легко определяемая величина - хлорность. Под хлорностью воды подра-зумевают число граммов ионов хлора, эквивалентное сумме ионов галогенов, осаждаемых нитратом серебра, содержащееся в 1 кг воды. В качестве единиц измерения хлорности принято использовать промилле (тысячная доля,%0) (ко-личество граммов на килограмм раствора).

 

В речной воде среди катионов наиболее распространены: Са ²⁺ > Na ⁺ + > Mg²⁺ > К⁺ > другие катионы,

а среди анионов

 

НСО^ˉ₃ > SO²^–₄ > Cl^– > другие анионы.

 

Для среднего состава дождевой воды преобладающим катионом является Na ⁺, а анионом — SO ^2–₄. Однако необходимо отметить, что для речной и дож-девой воды не только количество растворенных солей, но и соотношение ме-жду наиболее часто встречающимися катионами и анионами меняется в ши-роких пределах в зависимости от территориальных особенностей местности.

 

Легко заметить, что для всех рассмотренных выше природных вод более

 

90% растворенных солей представлено одними и теми же анионами и катио-нами. Поэтому катионы Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и К⁺ называют главными катионами, а анионы HCO^–₃, SO^2–₄ и Cl^– - главными анионами природных вод.

 

Для измерения содержания главных компонентов и примесей в природ-ных водах, помимо отмеченных выше массовых концентраций (млн-1, %о, г/л

 

и мг/л), часто используются такие единицы измерения, как моль/л, мкг/л, мг-экв./л, %-экв.

 

Для удобства представления химического состава природных вод приня-то использовать запись не в виде таблиц, а в виде формулы. При этом состав воды записывают в виде дроби. В числителе дроби в порядке уменьшения концентрации записывают химические формулы всех анионов, в знаменателе - всех катионов. В формулу вносятся лишь те катионы и анионы, содержание которых превышает 1 %-экв. Вслед за химической формулой иона цифрами записывают его концентрацию, выраженную в процент - эквивалентах. Слева перед дробью в виде химической формулы и числа, характеризующего кон-центрацию в мг/л, записывают содержание в воде растворимых примесей, а затем микроэлементов, если они представляют геохимический интерес. Далее указывают округленную величину общей минерализации воды (М), выражен-ную в г/л и деленную на сумму ммоль-экв. анионов в растворе. Справа от формулы принято записывать показатели, характеризующие рН и окисли-тельно-восстановительный потенциал воды Eh (мВ), если они известны.

 

27