Физико-химические свойства воды

Вода обладает необычными свойствами. Наибольшая ее плотность наблюдается при температуре 4°С. При охлаждении пресных водоемов зимой по мере понижения температуры поверхностных слоев более плотные массы воды опускаются вниз, а на их место поднимаются снизу теплые и менее плотные. Так происходит до тех пор, пока вода в глубинных слоях не достигнет температуры 4°С. В этом случае перенос тепла прекращается, так как внизу будет находиться более тяжелая вода. Дальнейшее охлаждение воды происходит только с поверхности, чем и объясняется образование льда в поверхностном слое водоемов. Благодаря этому подо льдом не прекращается жизнь.

Вертикальное перемешивание морской воды осуществляется за счет действия ветра, приливов и изменения плотности по высоте. Перемешивание воды ветром происходит в направлении сверху вниз, приливное - снизу вверх. Плотностное перемешивание возникает за счет охлаждения поверхностных вод. Ветровое и приливное перемешивания распространяются на глубину до 50 м, на больших глубинах может сказываться действие только плотностного перемешивания.

Интенсивность перемешивания придонных и поверхностных вод способствует их освежению, обогащению кислородом и питательными веществами, необходимыми для развития жизни. Растворенный в воде воздух всегда более богат кислородом, чем воздух атмосферный. Имеющийся в воде кислород оказывает благотворное влияние на развитие в ней жизненных процессов.

При замерзании чистая вода расширяется, морская — на меньшую величину. Поскольку водапри замерзании расширяется, увеличение внешнегодавления понижает температуру ее замерзания; темпе-,ратура плавления льда, наоборот, повышается с давлением. В лабораторных условиях при давлении более 40тыс. атмосфер можно получить лед, который будет плавиться при температуре 175°С. Теплоемкость и теплотаплавления льда уменьшаются с температурой, теплопроводность же почти не зависит от температуры. Когдатолщина льда на поверхности водоема достигает 15 см,он становится надежным тешгоизолятором между водой и воздухом. .

Морская вода замерзает при температуре —1,91°С. При дальнейшем понижении температуры начинается оседание сернокислого натрия, и только при температуре —23°С из раствора выпадает хлористый натрий. Так как часть рассола При кристаллизации уходит изо льда, соленость его меньше солености морской воды. Многолетний морской лед настолько опресняется, что из него можно получать питьевую воду. Температура максимальной плотности морской воды ниже температуры замерзания. Это является причиной достаточно быстрого переноса тепла, пронизывающего значительную' толщу морской воды и затрудняющего замерзание. Теплоемкость морской воды стоит на третьем месте после теплоемкости водорода и жидкого аммиака.

Иногда вода замерзает и при плюсовой температуре. Такое явление наблюдается в трубопроводах и почвенных капиллярах. В трубопроводах вода может замерзнуть при температуре +20°С. Объясняется это присутствием в воде метана. Поскольку молекулы метана занимают примерно в 2 раза больший объем, чем молекулы воды, они «расталкивают» молекулы воды, увеличивают расстояние между ними, что приводит к понижению внутреннего давления и повышению температуры замерзания. В почвенной влаге подобную роль выполняют молекулы белка. За счет влияния белковых молекул температура замерзания воды в почвенных капиллярах может возрасти до +4,4°С.

Соленость воды зависит от концентрации растворенных в ней солей, поэтому в разных морях и океанах соленость воды неодинакова. Средняя соленость вод океана составляет 35%; соленость морской воды может изменяться от нуля вблизи мест впадения крупных рек до 40% в тропических морях. Вода для питья должна содержать менее 0,05% растворенных солей. Для полива растений в воде должно содержаться не более 0,25% солей, в противном случае растения погибнут.

Существующие в природе жидкости можно разделить на нормальные и ассоциированные. Нормальными называются те жидкости, у которых молекулы не объединяются в группы (ассоциации). Жидкости, не подчиняющиеся этому условию, называются ассоциированными. Вода принадлежит к числу ассоциированных жидкостей. Если бы вода была неассоциированнойжидкостью, температура плавления льда в нормальных условиях была бы +1,43°С, а температура кипения воды 103°С. Как правило, теплоемкость жидкостей с температурой растет, но у воды с приближением к температуре +35°С теплоемкость после роста спадает до минимума, а затем снова постепенно растет. Происходит это из-за того, что при такой температуре разрушаются молекулярные связи. Чем проще молекулярная структура, тем меньше теплоемкость вещества. Температура наибольшей плотности воды понижается с увеличением давления и при давлении 150 атмосфер достигает 0,7°С. Это также объясняется изменением структуры молекулярных ассоциаций.

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоемкостью. Это ее качество оказывает существенное влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части Земного пара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни, количество воды. Водная и воздушная оболочки Земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилиза-ппи климата.

Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при :-том на поверхности остается незначительное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости.

Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути. С поверхностным натяжением воды связано ее сильноесмачивающее действие (способность «прилипать» к поверхности многих твердых тел). Кроме того, вода является универсальным растворителем. Теплота ееиспарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В составе обычной воды Н2О имеется небольшое количество тяжелой воды D2O и совсем незначительное количество сверхтяжелой воды Т,О. В молекулу тяжелой воды вместо обыкновенного водорода Н — протия входит его тяжелый изотоп D — дейтерий, в состав молекулы сверхтяжелой воды входит еще более тяжелый изотоп водорода Т — тритий. В природной воде на 1000 молекул Н,0 приходится две молекулы D2O и на одну молекулу Т,0 — 1019 молекул Н2О.

Тяжелая вода D2O бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса и живыми организмами не усваивается. Температура ее замерзания 3,8°С, температура кипения 101,42°С и температура наибольшей плотности 11,6°С. По способности впитываться тяжелая вода близка к серной кислоте. Ее плотность на 10% больше плотности природной воды, а вязкость превышает вязкость природной воды на 20%. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10% меньше, чем в обычной воде. Поскольку D2O испаряется медленнее легкой воды, в тропических морях и озерах ее больше, чем в водоемах полярных широт.

Н.И.Мазнев