Аномальные свойства природных вод

Лекция 12. Химия и экология природных вод.

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих непосредственно в атмосферу или литосферу. Это связано с наличием глобального цикла круговорота воды, со способностью воды к растворению различных газов и минеральных солей, а также с тем, что в любой водоем вместе с потоками воды смываются с суши всевозможные твердые частицы. Кроме того, вода в силу своего широкого использования в промышленности, сельском хозяйстве, в быту подвержена и непосредственному антропогенному загрязнению.

В рамках микроскопического подхода структура воды отличается относительно беспорядочным динамически меняющимся расположением молекул, а высокая плотность обуславливает сильное межмолекулярное взаимодействие, осуществляемое посредством водородных связей (Тарасова, Кузнецов 2006, Алексеев, 2009, Донченко, 2004)).

Таким образом, вода представляет собой сложную ассоциированную жидкость с тетраэдрической сеткой молекул, соединенных водородными связями. В результате теплового движения молекул эта сетка подвержена спонтанной перестройке. В трехмерной сетке водородных связей размещены флуктуационные микрообъемы молекул воды, обладающие сравнительно малой энергией теплового движения и более высокой степенью структурного упорядочения. Это — микрокластеры. В то же время вокруг микрокластеров в макрообъеме ассоциированной среды с повышенной энергией теплового движения молекул наблюдается большая степень структурной беспорядочности, т.е. более низкий уровень структурного упорядочения.

Вода обладает рядом аномальных характеристик:

1. Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Максимум плотности наблюдается при температуре около 4 С. Благодаря этому, с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4 С как более тяжелый, опускается на дно водоема, вытесняя более теплые и более легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь объем воды в водоеме охладиться до 4 С, будет продолжать охлаждаться только поверхностный слой, который как более легкий будет оставаться на поверхности водоема. Лед легче воды, он плавает на поверхности, и, обладая малой теплопроводностью защищает воду от промерзания (теплопроводность уплотненного снега близка к теплопроводности строительного войлока, а теплопроводность свежевыпавшего снега в 2 раза меньше.

2. Теплоемкость воды. Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением аммиака и водорода. При 273 К теплоемкость воды = 75,3 Дж/(моль*К). Благодаря огромной теплоемкости, воды океана сглаживают колебания температуры и перепад температуры от экватора до полюса в Мировом океане составляет 30 К.

3. Удельная энтальпия плавления. Она = 6,012 кДж/моль при 273 К и выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением аммиака и водорода. Благодаря высокой теплоте 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 охлаждаясь до 0 С, вода, снег или лед для перехода в другое агрегатное состояние требует значительных расходов энергии, поэтому эти переходы обычно растягиваются во времени (при замерзании 1 куб м воды выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 10 кг угля.

4. Удельная энтальпия испарения. Высокое значение удельной энтальпии испарения приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву поверхности суши. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ураганные ветры.

5. Поверхностное натяжение. Аномально высокое поверхностное натяжение воды приводит к появлению ряби и волн на водной поверхности уже при слабом ветре. В результате резко возрастает площадь водной поверхности и интенсифицируются процессы теплообмена между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхностным натяжением воды связаны и капиллярные силы, благодаря действию которых вода способна подниматься на высоту до 10 – 12 м от уровня грунтовых вод

6. Диэлектрическая проницаемость воды имеет аномально высокое значение. Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды – только растворы.

Дата добавления: 2013-12-14