Вода и его свойства

Вода -самое распространенное неорганическое соединение, самый важный «минерал» на Земле. Вода является основой всех жизненных процессов как растворитель и единственным источником кислорода в главном движущем процессе на Земле - фотосинтезе. Растения на 90%, а животные на 75% состоят из воды. Потери 10-20% воды живым организмом приводят к его гибели. Водные растворы - необходимое условие миграции большинства химических элементов: только при наличии воды происходят сложные реакции внутри организмов.

Вода - климатообразующий фактор и важный агент в формировании рельефной поверхности Земли. Все воды планеты Земля образуют гидросферу, обьединяющую Мировой океан, реки, озера, и водохранилиша, горные и полярные ледники, подземные воды, почвенную влагу и пары атмосферы.

Таблица 1 - Гидросфера (по Львовичу,1974)

Части гидросферы	Объем воды, тыс. км³	% от общего объема воды
Мировой океан ………………..	1 370 323	93,9685
Подземные воды………………..	60 000	4,12
В том числе зоны активного водообмена …...	4 000	0,65
Ледники…………………………	24 000	1,65
Озера……………………………..	280 *	0,019
Почвенная влага…………………	85 **	0,006
Пары атмосферы………………..		0,001
Речные воды…………………….	1,2	0,0001
И Т О Г О………………………..	1 454 193

* - В том числе около 5 тыс. км³ воды в водохранилищах.

** - В том числе около 2 тыс. км³ оросительных вод

Образование свободной воды связано с дегазацией мантии - разогревом земных недр в ходе общего уплотнения массы планеты и распада в ее недрах радиактивных элементов. При данном процессе, происходило высвобождение химически связанной воды в свободную. По запасам свободной воды Земля – самая водная планета Солнечной системы. Большая часть воды сосредоточена в Мировом океане, который занимает 3/4 поверхности Земли. Значительная часть воды заключена также в ледниках.

Началом всех пресных вод на Земле считается пар. Из небольшого объема паров атмосферы в процессе многократного повторения цикла влагооборота ежегодно конденсируется в 40 раз больший объем атмосферных осадков, выпадающих на поверхность Земли. Общий объем пресных вод гидросферы составляет всего 2 % ее обшего объема.

Таблица 2.- Пресные воды гидросферы (по Львовичу,1974)

Части гидросферы	Объем пресной воды, км³	% от данной части гидросферы	% от общего объема пресной воды
Ледники……………	24 000 000
Подземные воды………	4 000 000	6,7
Озера и водохранилища……	155 000		0,6
Почвенная влага……………	83 000		0,3
Пары атмосферы…………	14 000		0,05
Речные воды……	12 000		0,004
И Т О Г О	28 253 200	-

Важная движущая сила возобновления ресурсов пресных вод - круговорот воды, связывающий воедино все части гидросферы. Механизм круговорота воды действует повсеместно и непрерывно. В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое, материковое, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое, а также хозяйственное. Круговорот воды как вечный двигатель ритмично и безпрерывно качает воду из океана на материки в течение сотен миллиардов лет. (Рис. 1).

Вода – понятие собирательное. Природная вода, где бы она ни находилась и в каком бы агрегатном состоянии (газообразном, жидком или твердом) ни была, всегда представляет собой раствор других веществ, газообразных, жидких или твердых, а также содержит подчас в незначительных количествах другие воды (с другими относительными атомными массами водорода и кислорода и другими свойствами). Идеальная «чистая» вода Н₂О, как и большинство веществ, состоит из молекул, а последние из атомов. У атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода – две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью.

Рис.1 Гидрологический цикл (круговорот воды).

1 –облака; 2 – осадки; 3 – просачивание воды; 4 – 7 – расходование грунтовых вод; 4 – растительность; 5 – поглощение почвой; 6- сток и реки; 7 – сток и океан; 8 – поверхностный сток; 9 – русловое накопление; 10 – испарение из падающих капель; 11 – испарение из растительности; 12 – испарение из озер,прудов и рек; 13 – транспирация; 14 – испарение из поверхности земли; 15 – испарение из океана; 16 – речной сток.

Вода как жидкая среда обладает физико-химическими свойствами как: Плотность. Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и уменьшают плотность. У воды максимальная плотность отмечается при 4^оС⁴. Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлаждена до минус 70⁰С без превращения в лед.

Вода также может быть доведена до 150⁰С без закипания. При введении в такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100⁰С. С увеличением давления температура замерзания воды понижается примерно на 1⁰С через каждые 130 атм. С повышением температуры жидкой воды ее плотность понижается: на интервале от максимальной плотности при 4⁰С,– на 4% (от 1 до 0,95838). Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания воды, с повышением давления она падает (только до 2200 атмосфер). При давлении 3530 атм. вода замерзает при температуре минус 17⁰

С повышением минерализации воды (т.е. количества содержащихся в ней минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеет максимальную плотность. Так, на поверхности Мирового океана плотность воды 1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.

Поверхностное натяжение и прилипание. Поверхностное натяжение - это способность пограничных молекул воды, а также твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). На поверхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения, для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать, не погружаясь в воду, предметы, которые в 8 раз тяжелее воды, например лезвие безопасной бритвы, иголка и др. У воды есть и еще одно свойство – «прилипание» (адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах).

Теплоемкость воды. Теплоемкость воды с повышением температуры возрастает. Удельная теплоемкость воды при 16⁰С условно принята за 1 и служит, таким образом, эталоном меры для других веществ. Теплоемкость воды в переохлажденном состоянии (например, минус 7,5⁰С) на 2% выше, чем при той же температуре, но уже в кристаллическом состоянии.

Динамическая вязкость (внутреннее трение). Это свойство воды имеет очень большое значение при процессах фильтрации через пористые среды (например, песок). Вязкость минерализованных и более рассольных вод при тех же температурах значительно повышается. При 0⁰С динамическая вязкость чистой воды –1,789 спз, а при 100⁰С только 0,282, т.е. в 6 раз меньше.

Таблица 3 - Относительная вязкость воды

Давление, атм.	В я з к о с т ь
при 0^оС	при 75^0С
	0,957 1,317 лед	0,222 0,258 0,367 0,445

Испарение, транспирация, сублимация и конденсация. Испарение - переход вещества из жидкого или твердого состояние в газообразное (в пар). Испарение жидкости- превращение ее в пар, а испарение твердых тел называется сублимацией (или возгонкой). Обратный процесс, т.е. переход вещества из газообразного состояния в жидкое, именуется конденсацией. Испарение воды с поверхности растений носит название транспирации.

При испарении молекулы переходят из жидкости в пар и протекает изотермически, т.е. при постоянной температуре. Скорость испарения определяется массой жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы поверхности.

Вода часто находится в твердом состоянии – в виде льда. В первой четверти нашего века немецкий химик Г.Тамман и американский физик П.Бриджмен выявили шесть разновидностей льда, различающихся давлениями и температурами.

Лед I – обыкновенный лед, существующий при давлении до 2200 атм., устойчивый в нормальных условиях, при дальнейшем повышении давления (выше 220 атм.) переходит в разновидность II.

Лед II – с уменьшением объема на 18-20% тонет в воде, его плотность 1,2 г/см³ (при 0⁰С), очень неустойчив, легко переходит в модификацию III.

Лед III- тяжелее воды, (его плотность) больше плотности обыкновнного льда I, из которого непосредственно может быть получена описываемая модификация на 5%).

Лед IV – легче воды, существует при небольшом давлении и температуре немного ниже 0⁰С, неустойчив и легко переходит в разновидность I.

Лед V – может существовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар, его плотность выше плотности льда III на 5,5 и воды на 6%.

Лед VI – может быть получен непосредственно из воды при температуре 60⁰С и давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификации льда 76⁰С), его плотность выше плотности льда на 4 и воды на 6%.

Эти шесть модификации льда образуют резко различные полимерные группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I, IV), в другую – более тяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой группы сокращаются в объеме, а второй, наоборот, увеличивается. Различия между модификациями льда обусловлены не химическими свойствами, а молекулярным строением льда. По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых случаях так называемого донного льда.

Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях по плотности близки к плотности обычного льда (различия в плотности обычно не превышают 6%).

Замерзание природной воды зависит от температуры, давления, минерализации (количества растворенных веществ) и изотропного состава. Так при концентрации раствора поваренной соли NaCL* 5/л он замерзнет при минус 0,38; 50г/л – при минус 3,78 и наконец 10 г/л – при минус 7,44⁰С. Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняется раствор от замерзания, происходит процесс вымораживания. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося жидкого раствора повышается.

Каждой температуре соответствует вполне определенная концентрация раствора Рис.(2). Лед очень прозрачен для солнечной энергии, особенно для ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо пропускает солнечное излучение. Но даже самые тонкие (1-2 мм) слой льда совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагревания воды подо льдом. Теплопроводность льда довольно высокая –53*10^-4 кал/(см*сек*⁰С); сравните: теплопроводность воды –14, а воздуха –0,57кал/(см*сек*⁰С).

2.2 Классификация воды по физическим свойствам

Природную воду исходя из ее физических свойств можно разделить на ряд групп по различным признакам, например, по температуре:

Дата добавления: 2014-11-25