§ 2. Химические свойства воды

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению:

Н₂О↔ H⁺ + OH^–

Это ионное равновесие воды, состояние которого отражает водородный показатель рН – логарифм концентрации водородных ионов (моль/л) с обратным знаком

рН= –lgH⁺

рН=7 характеризует нейтральную реакцию воды, рН>7 – щелочную, рН<7-кислую.

Природная вода - это слабый раствор. Суммарное содержание в воде растворённых веществ, т.е. концентрация солей, называемая минерализацией, выражается в мг/л, г/л, реже в %. Минерализация варьирует от 0,01 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в рассолах.

Солёность воды S – это содержание растворённых в воде веществ, выраженное в промиллях (^о/_оо, тысячные доли части) или в г/кг.

По минерализации или солёности вода подразделяется на:

Пресные – менее 1^о/_оо ;

Солоноватые – 1-25^о/_оо;

Солёные – 25 –50^о/_оо ; (средняя солёность морской воды 35,16 ^о/_оо)

Высокосолёные: рассолы – более 50^о/_оо, рапа – более 60 ^о/_оо

Примеры природных вод различной солености представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Примеры природных вод различной солености

В связи с диссоциацией многие химические соединения в воде находятся в ионной форме. Все природные воды делятся по преобладающему аниону (отрицательно заряженные ионы) на три класса :

1 – гидрокарбонатный – НСО₃^—

2 – сульфатный – SO^2-

3 – хлоридный – Cl^-4

а по преобладающему катиону (положительный ион) на три группы:

1 – кальциевая – Ca²⁺

2 – магниевая – Mg²⁺

3- натриевая – Na⁺ и K⁺

Общей жёсткостью воды называется сумма концентрации катионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде.

В природных водах растворены газы: О₂ – кислород, N₂ – азот, СО₂ - диоксид углерода, H₂S – сероводород и другие.

В воде находятся микроэлементы (в концентрациях менее 1 мг/л и «следах»), бром - Br, йод - J, фтор - F, литий - Li, барий - Ba, и тяжёлые металлы Fe, Ni, Zn, Co, Cu, Pb, Hg, Cd и другие, а также радиоактивные вещества: калий ⁴⁰K, уран ²³⁸U, стронций ⁹⁰Sr, цезий ¹³⁷Cs).

В воде растворены также биологические вещества: соединения азота, фосфора, натрия и кремния.

Особую категорию составляют содержащиеся в воде загрязнители – нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, моющие средства, тяжёлые токсичные металлы.

§3. Физические свойства воды и географические следствия

Несмотря на то, что вода принята в качестве эталона меры плотности, объёма, теплоёмкости для других веществ, она самая аномальная среди них. Рассмотрим основные аномалии воды и их географические следствия.

Плотность. Любое тело при уменьшении температуры уменьшается в объёме и увеличивается по плотности. Вода следует этому общему закону только в диапазоне от 100 до 4⁰С. В интервале 4⁰С (температура максимальной плотности) - 0⁰С происходит постепенное незначительное уменьшение плотности, которое для переохлаждённой воды продолжается, во всяком случае, до – 70⁰С. Переохлаждённая вода при встряхивании мгновенно превращается в лёд с температурой 0⁰С. В природе значительное переохлаждение наблюдается редко. При замерзании происходит скачкообразное увеличение объёма воды на 1/11 и снижение плотности с 0,9998 до 0,9170 г/см³ (на 9%). При понижении температуры плотность льда повышается.

Плотность воды зависит от её солёности (увеличивается с повышением солёности).

Географические следствия:

Аномалии плотности обуславливают то, что при замерзании воды образуется менее плотный лёд, плавающий на поверхности воды и предохраняющий её от дальнейшего промерзания. Иначе наши реки и даже моря промёрзли бы до дна, и жизнь в них была бы невозможна.

При образовании льда возникает избыточное давление до 2500 кг/см². Это обуславливает процессы физического выветривания, образования наледей, а в технике – разрыв трубопроводов (в 1997 году – массовый разрыв водопровода в Приморье, в 2006 г. – выход из строя теплосети в Алчевске).

Теплоёмкость. Вода имеет удельную теплоёмкость 1,000 кал/г.град, что в 5-30 раз выше, чем у всех других веществ на Земле, кроме жидкого аммиака (1,2000) и водорода (3,400). Теплоёмкость обычно повышается с увеличением температуры. Для воды от 0⁰С до 35⁰С теплоёмкость снижается на 1,2%, а затем начинает повышаться. Теплоёмкость льда в диапазоне от 0 до 20⁰С составляет в среднем 0,500 кал/г∙град.

Географические следствия:

Водоёмы оказывают смягчающее влияние на климат, накапливая тепло днём (и летом) и отдавая его ночью (и зимой). 1см³ воды, нагретый на 1⁰С, при охлаждении повысит на 1⁰С температуру 3134 см³ воздуха. Изменения теплоёмкости воды между 30 и 40⁰С ведут к перестройке её структуры. Именно поэтому этот диапазон температур «выбран» большинством теплокровных биологических объектов. Высокая теплоёмкость воды позволяет использовать её в качестве теплоносителя в технике.

Теплопроводность. Теплопроводность воздуха составляет 0,57х10^–4, воды – 14×10^–4, а льда – 53×10^–4кал/см∙с∙град. Лёд прозрачен для ультрафиолетового солнечного излучения, но совершенно не пропускает длинноволновую радиацию и земное излучение.

Географические следствия:

Эта особенность играет большую роль в нагревании воды подо льдом. Благодаря низкой теплопроводности передача тепла в океанах происходит не молекулярным путём, а турбулентными потоками (течениями - Гольфстрим).

Скрытая теплота плавления и парообразования. Скрытая теплота плавления воды аномально высока – 80 кал/г (сера – 9,9, железо – 6,0). Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз больше, чем теплота плавления. Это определяет огромные энергетические затраты, необходимые для превращения воды с температурой 100⁰С в пар, чтобы испарить спирт достаточно 30%, а ртуть 12% этой энергии.

Географические следствия:

Гидросфера – это мощный теплообменный механизм Земли, определяющий её климатические условия и биологические особенности. Высокая скрытая теплота парообразования не даёт воде мелких рек и озёр летом полностью испаряться.

Поверхностное натяжение. Это способность пограничных молекул вещества сцепляться, стягиваться. Возникает плёнка натяжение, для разрыва которой необходима значительная сила. Поверхностное натяжение для воды – 72 дин/см² (при 20⁰С), хотя для спирта – всего 22. Только ртуть имеет ещё большее поверхностное натяжение – 500 дин/см². Кроме того, вода обладает свойством смачивать глину, песок, стекло, ткань, бумагу.

Географические следствия:

В своём сочетании, эти свойства определяют процессы капиллярного поднятия воды в грунте, движение по капиллярам растений и др. Это свойство обеспечивает одну из ветвей круговорота воды на Земле, имеет большое значение в технике, инженерной геологии и др. Именно благодаря способности смачивать различные вещества вода является «мокрой» жидкостью. Однако степень её «мокрости» невелика: в отличие от спирта и керосина она с трудом смачивает металлы, совершенно не смачивает жирные поверхности и полимерные материалы. Это её свойство причиняет много неудобства в технике. Поэтому изобретены различные добавки, которые могут сделать воду «скользкой» (полиэтиленоксид добавляется в воду пожарных машин, что позволяет более чем в 2 раза увеличить «дальнобойность» шлангов) или «сухой» (добавка кремниевой кислоты делает воду на ощупь сухой и холодной. Такую воду удобно перевозить в бумажных пакетах).

Динамическая вязкость. При 0⁰С – вязкость чистой воды 1,789 сантипуаз, при 100⁰С - только 0,282 (ртути 1,690 и 1,220).

Географические следствия:

Это определяет высокую подвижность воды в жидком виде, способность её проникать через пористые среды (фильтрация), переносить в растворённом виде, а при благоприятных условиях осаждать в виде месторождений различные минералы.

Электропроводность. В различных фазовых состояниях резко различается. Лёд и снег имеют электропроводность порядка n×10^–8, пресная вода – n×10^–5 , морская вода – n×10^–2 Ом ^–1 см ^–1.

Географические следствия:

Такая электропроводимость определяет наличие в воде теллурических токов, вызванных корпускулярным излучением Солнца, усиливающихся во время магнитных бурь, а также токов индукции, вызванных движением воды относительно силовых линий магнитного поля Земли.

Магнитные свойства. В принципе вода не обнаруживает магнитных свойств и по теоретическим представлениям при прохождении через магнитное поле не должна менять свои свойства. Однако после короткого (доли секунды) воздействия сильного магнитного поля на воду она «помнит» об этом десятки часов. «Магнитная вода» не дает накипи на стенках котлов, а образующийся рыхлый осадок уносится потоком; бетон с «магнитной водой» становится прочнее на 40-50%, а его затвердевание ускоряется в 4 раза, ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, меняется величина смачивания. Это аномальное свойство широко используется в технике (на ГРЭС, в обогащении руд и пр.), но теоретического объяснения пока нет.

Свойство растворять различные вещества. Способность воды растворять различные твёрдые тела объясняется её высокой диэлектрической проницаемостью – при 0⁰ – 87,7 относительных единицы (по отношению к проницаемости в вакууме).

Мрамор, каменная соль, сера, стекло, битумы имеют диэлектрическую проницаемость всего 2-8 единиц. Два противоположных электрических заряда притягиваются в воде с силой почти в 90 раз меньшей, чем в воздухе. Это облегчает растворение горных пород минералов.

Географические следствия:

Вода по всем показателям идеальный растворитель: она существует в жидком виде в широком диапазоне температур, химически инертна, не меняет свои свойства от соприкосновения с веществами, которые она растворяет и переносит. Поэтому в круговороте воды на Земле вместе с нею участвуют все элементы таблицы Менделеева. Поэтому вода стала носителем жизни.