Основные физико-химические свойства прородных вод

По современным научным представлениям происхождение гидросферы связывается с дегазацией воды из мантии Земли, в которой содержится около 20 млрд. км³ воды. На протяжении истории развития нашей планеты под влиянием эндогенных и экзогенных процессов формировалсь состав и физико химические свойства воды как природного вещества с его характерными чертами и особенностями.

В обычных условиях вода - это химическое соединение водорода с кислородом (H₂O), которое по весу состоит из 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

Строение воды определяется расположением ядер водорода относительно ядра кислорода в ее молекуле. Она несимметрична, имеет вид треугольника с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине. Этот треугольник находится внутри сферы, по которой движутся электроны.

В молекуле воды атом кислорода отнимает у атомов водорода и присоединяет к себе два электрона, тем самым приобретая отрицательный заряд. Лишенные электронов, оба атома становятся положительно заряженными протонаит. В результате этого молекула воды образует электрический диполь, т.е. совокупность равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на малом расстоянии.

Диполь молекулы воды характеризуется дипольным моментом, т.е. вектором, направленным от отрицательного к положительному заряду. Он равен произведению зарядов на расстояние между ними. Значительный дипольный момент определяет способность молекулы воды ассоциироваться в различные комплексы, представляющие собой сочетание двух-восьми отдельных молекул, которые обуславливают то или иное агрегатное состояние воды.

В парообразном состоянии (при температуре 100С) вода состоит в основном из простых молекул-гидролей, двойных – дигидролей и тройных – тригидролей.

Характерно, что при реально существующих на земле диапазонах атмосферного давления и температуры вода может находиться одновременно в разных агрегатных состояниях. При изменении температуры и давления соотношение между количеством гидролей, дигидролей и тригидролей изменяется и происходит смена агрегатного состояния воды. Эти процессы называют фазовыми переходами, при которых в одних условиях из жидкой воды образуется пар, в других она замерзает и становится льдом.

Особенности молекулярного строения воды обуславливают одно из ее наиболее важных свойств: растворять различные химические соединения. Природная вода - это слабый, исключительно однородный раствор. Общее количество содержащихся в воде растворенных неорганических веществ (концентрация солей) в абсолютных показателях (мг/л, г/л) называют ее минерализацией (М). Содержание растворенных веществ (г/кг) называют соленостью (S). S=1‰ - это г солей, содержащихся в 1 кг воды. Численные величины минерализации (М) и солености (S) воды для не очень насыщенных растворов обычно относятся как M – 0,0015S.

Минерализация и соленость – существенно важные характеристики вод нашей планеты. По содержанию растворенных солей природные воды подразделяют на четыре группы: пресные – менее 1‰, солоноватые – 1-24,7‰, соленые – 25-50‰, высокосоленые (рассолы) – свыше 50‰.Показатели, разграничивающие эти группы вод, приняты по следующим основаниям. Величина 1‰ – это верхний предел солености питьевой воды, 25‰ (точнее 24,7‰) – соленость, при которой температура наибольшей плотности равна температуре замерзания воды. При солености выше 24,7‰ вода имеет морские качества; наконец, рассолы - это специфический вид химических соединений. Минерализация природных вод разного типа может изменяться в довольно широких пределах - от 0,01 г/л в атмосферных осадках до 600 г/л в рассолах.

В природе обычно не встречается химически чистая вода. Как раствор она содержит в себе различные химические элементы и вещества. В материковых и морских водах обнаружено более половины химических элементов, входящих в периодическую систему Д.И. Менделеева. Однако количество тех или иных химических веществ неодинаково в разных природных водах. В океанах и морях основная доля (88,7%) растворенных веществ приходится на хлориды, главным образом на хлористый натрий. В пресных водах (речных, озерных, болотных) резко преобладают (до 80%) карбонаты, тогда как на долю хлоридов приходится лишь 6,9% всех растворенных веществ. В небольших количествах в природных водах содержатся соединения азота, фосфора и кремния, имеющие решающие значение для жизнедеятельности организмов. Значительное преобладание содержания хлоридов в морской воде и карбонатов в речной - основное различие солевого состава этих типов вод.

Кромк твердых веществ в природных водах растворены некоторые газы: кислород, азот, углекислота, метан и др. Количество растворенных газов в воде невелико, но они играют решающую роль в развитии органической жизни водной среды. Главное место среди газов занимает кислород. Его количество пополняется путем газообмена воды с атмосферой и за счет фотосинтетической деятельности водорослей. Кислород расходуется на дыхание животных и на окисление находящихся в воде органических веществ.

Воде, как природному веществу, присущи определенные физические характеристики м свойства.

Температура - степень нагретости или охлаждения вещества. Ее

величины определяются многими факторами: количеством поступающего тепла, его поглощением и перераспределением в воде и др. Она влияет на физические и химические свойства воды, биологические процессы в ней и другие показатели водной среды.

Плотность - масса воды на единицу объема - одна из важнейших физических характеристик. Она зависит от температуры, давления и содержания растворенных и тонкодисперсных взвешенных веществ.

Плотность скачкообразно изменяется при фазовых переходах. Так, плотность льда меньше, чем воды. В диапазоне температуры пресной воды от 0 до 4С плотность 6величивается. Плотность морской воды увеличивается с повышением солености. Соленость имеет большое значение для возникновения и развития многих химических, физических и биологических процессов в в океанах и морях. Так, с соленостью и ее изменениями во многм связано движение вод, возможность существования тех или иных видов животных и растений в морских водах.

Температура, плотность и соленость – главные характеристики природных вод. К наиболее значимым физическим свойствам последних относятся следующие:

Теплоемкость - способность поглощать тепло. Она высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ.

Теплопроводность - способность распространять тепло в своей среде. Теплопроводность воды незначительна.

Вязкость (внутреннее трение). Она невелика по сравнению с другими жидкостями.

Поверхностное натяжение. Проявляется повержностное натяжение в виде молекулярных сил прилипания, в сравнении с другими жидкостями очень высокое.

Оптические свойства. Свет от поверхности воды частично отражается, на границе воздух-вода преломляется, а в толще воды рассеивается и поглощается, в результате чего ослабляется.

Акустические свойства. Вода хорошл проводит звук, и при некоторых условиях он распространяется на большие расстояния со скоростью 1400-1600 м/с, т.е. в 4-5 раз быстрее, чем в воздухе.

Физические и химические свойства воды как природного вещества свойственны в общем всей гидросфере. Однако ее глобальные пространства обуславливают заметное, и порой значительное, различие величин характеристик воды. В частности, температура воды неодинакова в северных и экваториальных районах Земли. Соответственно неодинаковы и определяемые температурой плотность, акустические и другие параметры воды.

Кроме того, существенно неодинаковы характеристики различных типов природных вод. Наиболее ярко они разнятся в пресных и соленых водах. Это прежде всего относится к концентрации растворенных солей (солености) и температуре замерзания пресных и морских вод. Различие физико-химических свойств вод - характерная черта единой гидросферы Земли.

Структура гидросферы, Количество и распределение воды

на Земле

Исходя из приведенного определения, гидросфера охватывает различные по природе воды. Они неодинаковы не только по своим физико-химическим характеристикам и свойствам, но и по некоторым географическим признакам (например, по месту расположения на планете). Это во многом объясняется геологическим развитием Земли. В течениедлительного времени (несколько геологических периодов) под влиянием сложных и разнородных процессов на поверхности планеты и в верхних слоях земной коры образовались скопления вод тех или иных типов, каждый из которых обладает определенными гидрологическими особенностями. Обособленные сосредоточения различных видов вод называются водными объектами. Они представляют собой составные части гидросферы Земли и по определенным признакам подразделяются на несколько групп.

Водоемы - скопления вод в понижениях земной поверхности. Котловина и заполняющая ее вода представляют собой единый природный комплекс, для которого характерно замедленное движение воды. К этой группе водных объектов относятся: океаны, моря, озера, водохранилища, пруды, болота.

Водотоки - скопления вод в относительно узких и мелких углублениях поверхности Земли с поступательным движением воды в направлении уклона этого углубления. К этой группе водных объектов относятся реки, ручьи, каналы. Они могут быть постоянными (с течением воды круглый год) и временными (пересыхающими, перемерзающими).

Особые водные объекты -ледники (движущиеся естественные скопления льда) и подземные воды, к которым относятся: воды, находящиеся в горных породах в верхней части земной коры вж жидком, твердом и парообразном состоянии; водоносные горизонты и артезианские бассейны.

Многие водные объекты имеют водосбор - часть земной поверхности или толщи почв и горных пород, откуда вода поступает к определенному водному объекту. Граница между соседними водосборами называется водоразделом. В природе водоразделы обычно разграничивают водные объекты суши, главным образом речные системы.

Каждый водный объект, относящийся к той или иной группе, характеризуется своими особенностями природных условий. Они изменяются в пространстве и во времени под влиянием физико-географических, прежде всего климатических, факторов. Закономеные измменения состояния водных объектов, образующих в совокупности гидросферу, в той или иной мере отражаются на ней Основные данные о количестве воды на земном шаре приведены в таблице.

Таблица