Физические и химические свойства вод

7

Гидрология 2011

ЛЕКЦИЯ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПРИРОДНЫХ ВОД

Вопросы:

1. Молекулярная структура и изотопный состав воды

2. Химические свойства воды.

3. Физические свойства воды.

4. Гидрологическое и физико-географическое значение физических свойств и аномалий воды.

Литература:

Основная:

1. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д. Гидрология. М., 2006?

2. Давыдов Л.К., Дмитриева А.П., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л,1973

Дополнительная:

1. Мишон В.М. Поверхностные воды Земли: ресурсы, использование и охрана. Воронеж, 1979.

2. Мишон В.М. Гидрофизика. Воронеж, 1979.

3. Алексеевский Н.И. Гидрофизика.М.,2006.

1.Молекулярная структура и изотопный состав воды.

Химически чистая вода (H₂O) – устойчивое соединение водорода (Н) с кислородом (О). Водород составляет 11,19%, кислород – 88,81%.

Молекула воды образует равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине. Угол между направлениями на атомы водорода меняется от 10427 (пар) до 10440 (жидкость) до 109(лед).

O

- -

0,9710 ^–8 см

0,9710 ^–8 см

105

H

+

H

+

1,5310 ^–8 см

Диаметр молекулы воды равен 2,76 Ангстрема (10^-10 м).

Атом кислорода присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и приобретает отрицательный заряд. В сою очередь атомы водорода, лишенные электронов становятся положительно заряженными протонами. Таким образом молекула воды образует электрический диполь.

В воде возникает электрическое поле, обуславливающее ее большую относительную диэлектрическую постоянную -  (относительная диэлектрическая постоянная – отношение взаимодействия зарядов в веществе к взаимодействию в вакууме). Для воды =79- 81, вакуум - =1, большинство жидкостей =2-8.

Высокая относительная диэлектрическая постоянная приводит к большой способности воды расщеплять молекулы других веществ на ионы или растворять эти вещества. В воде на Земле растворяется большинство веществ, содержащихся в почве и горных породах.

Каждая молекула воды , обладающая двумя положительными и двумя отрицательными зарядами способна образовать 4 водородные связи, т.е соединения положительно заряженного ядра водорода (протона), химически связанного в одной молекуле, с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы.

Характерной особенностью молекул воды является их свой­ство объединяться в агрегаты, т. е. совокупности, состоящие из нескольких молекул. Это свойство молекул воды объясняется значительной их полярностью, являющейся следствием нерав­номерного распределения электрических зарядов в самой мо­лекуле воды; на стороне молекулы с атомом кислорода заме­чается некоторый избыток отрицательного заряда, а на другой (противоположной) стороне, где расположены атомы водо­рода, - избыток положительного заряда электричества.

Вода, находящаяся в парообразном виде, состоит главным образом из однородных простых молекул, имеющих формулу Н ₂0. Простую, не объединившуюся с другой молекулу Н₂0 на­зывают гидролем. Агрегат из двух простых молекул (Н₂0)₂ называют дигидролем, а совокупность трех молекул (Н₂0)₃ - тригидролем. Жидкая вода является смесью гидроля, дигидроля и тригидроля. Таким образом, вода в жидком состоянии наряду с простыми молекулами Н₂0 всегда имеет агрегаты, состоящие из нескольких молекул, которые непре­рывно возникают и распадаются. Данные таблицы 1 показывают, что при из­менении температуры воды соотношение между количеством простых молекул и объединившихся в агрегаты меняется. Этим объясняются некоторые аномалии физических свойств воды. Лед состоит преимущественно из молекул тригидролей.

Таблица 1

Соотношение количества различных молекул воды

(в процентах) при разной температуре

Молекулы	Температура, °С
	0	4	38	98
Н2O	19	20	29	36
(Н2O)2	58	59	50	51
(Н2O)3	23	21	21	13
	100	100	100	100

Присущие воде водородные связи примерно в 10 раз прочнее межмолекулярных взаимодействий, характерных для большинства других жидкостей. Поэтому на преодоление этих связей при плавлении, испарении и нагревании воды необходимо гораздо больше энергии, чем для других жидкостей, что определяет аномальные тепловые свойства воды.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов. Водород – ¹H-протий, ²H-дейтерий (тяжелый водород), ³H- тритий(сверхтяжелый, радиактивный). Кислород – ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. Природная вода представляет собой смесь вод различного изотопного состава. Наиболее распространена вода состоящая из изотпов наименьшего атомного веса ¹H₂¹⁶O. Остальные виды воды называют тяжелой водой. Вода с изотопным составом ³H₂¹⁶O называют сверхтяжелой водой. ЕЕ на земле всего 13-20 кг.

2. Химические свойства воды

Вода является слабым электролитом, диссоциирующим по уравнению

H₂OH ⁺ +OH^- (2.1)

Уравнение (2.1) харктеризует так называемое ионное равновесие. Состояние ионного равновесия характеризуется водородным показателем рН, представляющим логарифм концентрации водородных ионов , взятый с обратным знаком.

рН = -lg [H⁺]. (2.2)

Величина рН характеризует кислотную или щелочную реакцию воды. При заданной температуре наблюдается условие постоянства ионного произведения воды:

[H⁺][ОН^-]=K_w= const. (2.3)

K_w10^-14

При отсутствии примесей [H⁺]=[ОН^-]=10^-7. Отсюда рН= 7 (нейтральная реакция).

Вода как растворитель.

Вода – универсальный растворитель. Она медленно, но верно растворяет практически все вещества, существующие в природных условиях.

Минерализация – содержание в воде растворенных минеральных веществ, выраженное в мг/л или г/м³ (М, _и(онов)).

Соленость – содержание в воде растворенных минеральных веществ, выраженное в г/кг или в промилле.

Классификации природных вод по солевому составу и минерализации.

Классификация природных вод по минерализации В.И.Вернадского:

1. Пресные: минерализация 0-1 г/л, - большинство рек и озер, подземных вод;

2. Солоноватые: минерализация - 1-10 г/л;, оз. Балхаш (3 г/л);

3. Соленые: соленость 10-50 г/л - моря и океаны (красное море – 45 г/л);

4. Рассолы: соленость 50 г/л - оз. Эльтон, оз. Баскунчак, Мертвое море, зал. Кара-Богаз-Гол.

Наиболее распространенной в гидрологии и гидрохимии является классификация по солевому составу О.А.Алекина. В соответствии с ней природные воды подразделяются на следующие классы (по преобладающему аниону) и группы (по преобладающему катиону):

Класс гидрокарботных вод (НСО₃^-) – преобладает в речной воде

Класс хлоридных вод (Сl^-) – преобладает в морской воде

Класс сульфатных вод (SO₄^2-)

Кальциевая группа (Ca²⁺) – преобладает в речной воде

Натриевая группа (Na⁺) – преобладает в морской воде

Магниевая группа (Mg²⁺)

Калиевая группа (К⁺)

Понятие о качестве воды.

Качество воды – совокупность физических и химических свойств воды, влияющих на экологическое состояние и экологическое использование водных объектов.

Категории качества:

1. Температура (чем выше температура, тем хуже качество);

2. Соленость и минерализация;

3. Мутность;

4. Содержание органических веществ.

1. Физические свойства воды.

Агрегатные состояния воды и фазовые переходы

Агрегатные состояния воды и фазовые переходы часто изображаются диаграммой состояния воды (фазовой диаграммой). В ней по оси абсцисс откладывается температура, а по оси ординат – давление. Диаграмма представляет собой три кривые:

1. Кривая ледообразования: в одну сторону таяние (плавление), в другую – ледообразование (кристаллизация).

2. Кривая кипения (парообразования): в одну сторону кипение (парообразование), в другую – конденсация.

3. Кривая сублимации: в одну сторону возгонка (переход из твердого состояния в газообразное), в другую – сублимация (переход из газообразного состояния в твердое).

Удельная теплота фазовых переходов воды очень велика.

Плотность воды.

Плотность вычисляется по формуле:

Она измеряется в кг/м³. Плотность воды является функцией температуры, солености, давления, коллоидных взвесей). Прирост плотности с увеличением давления невелик (на 11 км Марианского желоба – 4-5 кг/м³), гораздо важнее изменения температуры и солености. Плотность льда меньше плотности воды, т.к. его молекулярная структура более рыхлая.

При температуре меньшей 0С с увеличением температуры плотность падает и составляет в среднем 920 кг/м³. В точке плавления она становится равной 999,8 кг/м³ и продолжает расти до 1000 кг/м³ (при температуре 4С). При последующем увеличении температуры плотность падает. Влияние солености на плотность также очень велико. Плотность морской воды может достигать 1025-1033 кг/м³.

3. Тепловые свойства воды.

Тепловые свойства воды:

1. температура

2. температура замерзания

3. температура кипения

4. температура наибольшей плотности

5. удельная теплота плавления

6. удельная теплота кипения

Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности от солености.

Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности являются различными функциями солености. Эти зависимости иллюстрируются графиком Хелланд-Хандсена. При солености равной 24,7 0,1% и температура замерзания, и температура наибольшей плотности равны –1,33 С. Из графика видно, что морская вода замерзает при температуре меньшей 0С.

В водоемах происходит вертикальная плотностная конвекция (перемешивание): верхний слой воды охлаждается осенью от воздуха, его плотность увеличивается и он опускается. Такое охлаждение происходит до температуры 4С, потом перемешивание прекращается и подо льдом оказывается сравнительно теплая вода. Это имеет большое значение для сохранения жизни в водоемах.

1. Гидрологическое и физико-географическое значение физических свойств и аномалий воды.

Физические аномалии и характерные свойства воды и их гидрологическое значение:

1. Высокая по сравнению с другими веществами температура плавления, поэтому вода на Земле может находиться в твердом состоянии.

2. Сравнительно высокая температура плавления, поэтому вода на Земле может находиться в жидком виде.

3. Плотность льда значительно меньше плотности воды, благодаря этому при замерзании водоема лед экранирует его от дальнейшего охлаждения (лед обладает небольшой теплоемкостью).

4. При температуре от 0 до 4С с увеличением температуры плотность также увеличивается, поэтому при охлаждении поверхностного слоя до 4С опускание слоев прекращается.

5. Удельная теплота ледообразования очень велика, поэтому процесс ледообразования идет замедленно.

6. Удельная теплота парообразования очень велика, поэтому процесс парообразования идет замедленно.

7. Удельная теплоемкость очень велика, поэтому вода медленно нагревается и медленно охлаждается.

8. Теплопроводность достаточно мала.

9. Вязкость достаточно мала, поэтому вода является очень текучим веществом, она способна переносить различные объекты.

10. Поверхностное натяжение достаточно велико, поэтому образуется мельниск – капиллярные силы, благодаря которому растения способны брать воду из Земли, капли воды обладают большой ударной силой.