строение воды как физического тела - гидрофизика

строение воды как физического тела - гидрофизика

Содержание

Введение

1. Строение молекул воды

2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

3. Разновидности воды

4. Аномальные свойства воды

5. Фазовые превращения и диаграмма состояния воды

6. Модели структуры воды и льда

7. Агрегатные виды льда

Заключение

Список литературы

Введение

Вода это самое важное вещество на Земле без которого не может существовать ни один живой организм и не могут протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические процессы.

Воды(оксид водорода) – это жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстых слоях голубоватая); Н2О, мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом.

Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она покрывает около 3/4 всеи земной поверхности, составляя основу океанов, морей, озер, рек, фунтовых вод и болот. Большое количество воды находится также в атмосфере. Растения и живые организмы содержат в своем составе 50-96 % воды.

Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Кол-во воды на пов-сти Земли оценивается в 1,39*1018 т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Кол-во доступных для использования пресных вод в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2*104 т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4*1016т (общая масса распределенных по поверхности Земли снега и льда достигает примерно 2,5-3,01016т, что составляет всего лишь 0,0004% массы всей нашей планеты. Однако, такого количества достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Земного шара 53 метровым слоем, а если бы вся эта масса вдруг растаяла, превратившись в воду, то уровень Мирового Океана поднялся бы по сравнению с нынешним примерно на 64 метра.), примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть - пресные. В атмосфере находится ок. 1,3*1013 т воды. Вода входит в состав многих минералов и горных пород (глина, гипс и др.), присутствует в почве, является обязательным компонентом всех живых организмов.

Плотность H2O = 1 г/см3 (при 3,98 градусах), tпл. = 0 градусов, а tкип = 100 градусов. Теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/(г/К) Mr (H2O) = 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Вода – это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трёх агрегатных состояниях: Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы

От воды зависит климат. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров… без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле.

Вода – вещество привычное и необычное. Известный советский учёный

академик И. В. Петрянов свою научно-популярную книгу о воде назвал "самое необыкновенное вещество в мире". А "Занимательная физиология", написанная доктором биологических наук Б. Ф. Сергеевым, начинается с главы о воде – "Вещество, которое создало нашу планету".

1. Строение молекулы воды

Из всех распространенных жидкостей вода — наиболее универсальный растворитель, жидкость с максимальными величинами поверхностного натяжения, диэлектрической постоянной, теплоты парообразования и наивысшей (после аммиака) теплотой плавления. В отличие от большинства веществ вода, замерзая при низком давлении, расширяется.

Эти специфические свойства воды связаны с особым строением ее молекулы. Химическая формула воды Н20 обманчиво проста. В молекуле воды ядра атомов водорода расположены несимметрично по отношению к ядру атома кислорода и электронам. Если атом кислорода находится в центре тетраэдра, центры масс двух атомов водорода будут в углах тетраэдра, а центры зарядов двух пар электронов займут два других угла (рис.1.1). Таким образом, четыре электрона располагаются на возможно наибольшем расстоянии как от ядра атома кислорода, так и от ядер атомов водорода, при котором они еще притягиваются ядром атома кислорода. Другие шесть электронов молекулы воды расположены так: четыре электрона находятся в положении, обеспечивающем химическую связь между ядрами атомов кислорода и водорода, а два других расположены вблизи ядра атома кислорода.

Ассиметричное расположение атомов молекулы воды обусловливает неравномерное распределение электрических зарядов в ней, что делает молекулу воды полярной. Такое строение молекулы воды обусловливает притяжение молекул воды друг к другу в результате образования между ними водородных связей. Расположение атомов водорода и кислорода, внутри образовавшихся агрегатов молекул воды сходно с расстановкой атомов кремния и кислорода в кварце. Это относится ко льду и в меньшей мере к жидкой воде, агрегаты молекул которой всегда находятся в стадии перераспределения. При охлаждении воды ее молекулы группируются в агрегаты, которые постепенно увеличиваются и становятся все более устойчивыми по мере приближения к температуре 4° С, когда вода достигает максимальной плотности. При этой температуре вода еще не имеет жесткой структуры и наряду с длинными цепочками ее молекул существует большое количество отдельных молекул воды. При дальнейшем охлаждении цепочки молекул воды растут за счет присоединения к ним свободных молекул, в результате чего плотность воды уменьшается. Когда вода превратится в лед, все ее молекулы входят в более или менее жесткую структуру в виде незамкнутых цепочек, образующих кристаллы.

Рис.1.1 Строение молекулы воды

Взаимное проникновение атомов водорода и кислорода. Ядра двух атомов водорода и две пары электронов находятся в углах тетраэдра: в центре расположено ядро атома кислорода.

Высокие величины поверхностного натяжения и теплоты парообразования воды объясняются тем, что для отделения молекулы воды от группы молекул требуется относительно большая затрата энергии. Стремление молекул воды устанавливать водородные связи и их полярность объясняют необычно высокую растворяющую способность воды. Некоторые соединения, такие, как сахара и спирты, удерживаются в растворе благодаря водородным связям. Соединения, обладающие высокой степенью ионизации вводе, например хлористый натрий, удерживаются в растворе вследствие того, что ионы с противоположными зарядами нейтрализуются группами ориентированных молекул воды.

Другая особенность молекулы воды состоит в том, что как атомы водорода, так и атомы кислорода могут иметь различные массы при одинаковом заряде ядра. Разновидности химического элемента с различными атомными весами называются изотопами этого элемента. Молекула воды обычно образуется водородом с атомным весом 1 (Н1) и кислородом с атомным весом 16 (О16). Более 99% атомов воды относится к этим изотопам. Кроме того, существуют следующие изотопы: Н2, H3, О14, О15, О17 О18, О19. Многие из них скапливаются в воде в результате ее частичного испарения и вследствие своей большой массы. Изотопы Н3, О14, О15, О19 радиоактивны. Наиболее распространен из них тритий Н3, образующийся в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей. Этот изотоп накопился также в результате ядерных взрывов за последние несколько лет. На основании этих и других фактов относительно изотопов путем анализа изотопного состава воды можно частично раскрыть историю некоторых природных вод. Так, содержание тяжелых изотопов в поверхностных водах свидетельствует о длительном испарении воды, которое происходит, например, в Мертвом море, Большом Соленом озере и в других бессточных водоемах. Повышенное содержание трития в подземных водах могло бы означать, что эти воды метеорного происхождения с большой скоростью циркуляции, потому что период полураспада этого изотопа всего лишь 12,4 лет. К сожалению, изотопный анализ слишком дорог и по этой причине не может быть широко применен в исследованиях природных вод

Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами.

Атомы водорода в молекуле H2О, имея положительный частичный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H2О. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.

Как и большинство веществ, вода состоит из молекул, а последние из атомов.

Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на определенных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго определенное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью.

Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости. Можно было бы предполагать, что атом кислорода и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше - всего 104° 27' (рис.1.2), что приводит к неполной компенсации внутримолекулярных сил, избыток которых обусловливает асимметрию распределения зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем у других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворения водой различных веществ. При 0 °С диэлектрическая проницаемость воды (в твердой фазе) составляет 74,6; с повышением температуры она падает.

Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81. Что это значит? Это значит, что два противоположных электрических заряда в воде взаимно притягиваются с силой, равной ~ 1/80 их взаимодействия в воздухе, и что отделение ионов от кристаллов какой-либо соли в воде в 80 раз легче, чем в воздухе.

Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвенных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ из-за неопределенности как формы, так и точных размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное облако, зависящее от энергетического состояния электрона. Последнее может быть спокойным или возбужденным, что зависит, в частности, и от температуры. Отсюда разнобой в значениях вычисленных радиусов, а также схематичность гипотетических моделей атомов и молекул.

2. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна — в начальный период развития учения о структуре воды, другая — в настоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H2O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H2O)2—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H2O)3 — тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теория структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля.

Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий — наибольшую плотность воды при 4°С.

В табл.1.1 показан молекулярный состав воды, льда и водяного пара по различным литературным источникам.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах:

Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля. Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели О.Я.Самойлова, Дж.Попла, Г.Н.Зацепиной и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H2O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж.Бернал и Р.Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом). Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом (см. рис.1.3), он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно изложенному, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими. Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия.

Таблица 1.1

Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %

Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 1.3). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты — каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

Рис.2 Схема взаимодействия молекул воды

1 — кислород, 2 — водород, 3 — химическая связь, 4 — водородная связь.

Считается, что при повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

3. Разновидности воды

На Земле содержится около 1500 млн. км3 воды. Причем доля пресной воды составляет всего 10% от общего количества. А если учесть то факт, что большая часть пресной воды содержится не на поверхности земли, а в земной коре, можно сделать вывод о том, что доля относительно доступной пресной воды очень и очень ограничена. В зависимости от типа залегания, свойств и химического состава вся вода на Земле подразделяется на множество видов:

- соленая вода - безусловно, главным хранилищем соленой воды на Земле является Мировой океан. Мировой океан поистине огромен, если говорить языком цифр, то Мировой океан - это: 97% всей воды на планете; 74% всей площади Земли и около 1,35 млрд. км3 объема;

Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу:

Вещество - Содержание, г/кг морской воды

Хлорид-ион C1- - 19,35

Ион натрия Na + - 10,76

Сульфат-ион SO4 2- - 2,71

Ион магния Mg2 + - 1,29

Ион кальция Са2 + - 0,412

Ион калия К + - 0,40

Диоксид углерода - 0,106

Бромид-ион Вr- - 0,067

Борная кислота - 0,027

Ион стронция Sr2 + - 0,0079

Фторид-ион F- - 0,001

Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях;

- пресная вода - пресная вода распределяется на Земле следующим образом: около 2% всей пресной воды сосредоточено в ледниках и полярных льдах; около 7% пресной воды находится в озерах и реках и около 0,5% в грунтовых водах;

Пресная воды в свою очередь делится на следующие виды:

- дистиллированная вода - так называют воду, химический показатель которой близок к чистому Н2О. Природной дистиллированной воды не существует, она производится в специальных дистилляторах методом выпаривания пресной воды с последующей конденсацией. Используется она в основном для медицинских или исследовательских целей. Ее производят в специальных дистилляторах путем выпаривания обычной пресной воды с последующей конденсацией пара - дистилляцией. При этом все присутствующие в воде примеси остаются в выпаренном остатке. Этот процесс основан на принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами. Также поступают с морской водой, чтобы избавить ее от солей и минеральных включений. В тропических зонах солнечным теплом нагревают воду в мелких лотках (парниковый эффект), после чего происходит конденсация водяного пара. Идеальное место для размещения подобных установок—прибрежные тропические районы, соседствующие с засушливыми землями, которым предельно необходима вода. Конструкция опреснительных установок должна быть хорошо продумана, с тем чтобы в ней предусматривалось вторичное использование тепла, выделяющегося при конденсации паров. Стоимость опреснения морской воды по методу дистилляции не превышает 1 доллара за 4000 л;

- минеральная вода - так называют воду с повышенным содержанием минеральных компонентов. Минеральная вода образуется в результате обогащения подземных вод целебными минералами. Существует несколько видов минеральных вод: лечебно-столовые (минерализация 2-6 г/л), столовые (минерализация 1-2 г/л) и лечебные (минерализация от 6 г/л);

- искусственная вода – так обозначаются пресные воды, изготовленные с помощью технологических методов с целью имитации химического состава природных минеральных или других вод. Искусственные минеральные воды получают добавлением в обычную или дистиллированную воду химических компонентов (солей магния, калия, натрия, иода и др.), присутствующих в натуральных минеральных водах в таких же процентных концентрациях. Примером таких вод служат искусственно минерализованные воды известных производителей “Боржоми”, ”Нарзан” и ”Ессентуки” с тем отличием, что на бутылках стоит надпись “Искусственно минерализованная вода”. Опресненную морскую воду, которую в широких масштабах производят Арабские Эмираты, богатые нефтью, но бедные пресной водой, тоже можно считать искусственной, как и тяжелую воду, получаемую для исследований в области ядерной физики;

- "Живая" и "Мертвая вода" - так называют воду, произведенную с помощью электролиза обычной воды. "Живая" и "Мертвая" воды обладают рядом полезных свойств, помогающих бороться с различными болезнями;

- колодезные воды - так называются подпочвенные воды, которые извлекаются на поверхность с помощью колодцев. В принципе, сюда же можно отнести и воду из артезианских скважин, с той лишь разницей, что вода из артезианских скважин добывается из гораздо более глубоких слоев почв, чем колодезная. Они очень уязвимы с точки зрения загрязнений: все, что попадает в почву — нитраты, нитриты, ПАВ, пестициды и тяжелые металлы, — может оказаться в колодезной воде;

- вода из артезианских источников – это воды глубокого залегания, которые лучше защищены от различных промышленных и бактериальных загрязнений. Для бурения используются специальные установки, затем в скважину опускают стальные трубы, погружают мощный насос, через который выводится на поверхность трубопровод. Существуют два водоносных горизонта: песчаный залегает на глубине 15— 40 м и отделен от верхнего слоя почвы глинистыми пластами, которые и защищают его от загрязнений, а на глубине 30—230 м и более находятся известняковые водоносные слои, так называемые артезианские. Состав артезианских вод зависит от глубины их залегания. Такая вода может иметь повышенную жесткость и содержать бактерии и органические вещества. Кроме того, из-за плохого соединения труб в скважинах в артезианскую воду могут просачиваться загрязнения из более высоких водоносных слоев. Обычно эту воду необходимо фильтровать и очищать, что осуществляется с помощью очистных систем промышленного и бытового назначения;

- родниковая вода - родником или ключом обозначается небольшой водный поток, бьющий непосредственно из земных недр. Некоторые российские реки и водоёмы порождаются именно такими подземными источниками. Родниковая вода берется в том самом месте, откуда она поступает из-под земли. Вода может быть пресной или минерализованной. В первом случае мы говорим о родниках и ключах, а во втором — об источнике минеральных вод;

- геотермальная - так называют воду, выделяющуюся из недр Земли с температурой выше 20°С. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 до 100°С. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°С, а температура пара доходить до 600°С; геотермальные воды с температурой 20—40°С используют для лечебных целей, а с температурой 40—60°С — для выращивания растений в парниках;

- сточные воды - подразделяются на два вида: первые поступают из городских квартир, вторые - с различных промышленных предприятий. Несмотря на постоянно совершенствующиеся способы очистки, повторное применение сточных вод на сегодняшний день не представляется возможным.

Разновидности воды отличаются сочетанием образующих их изотопов водорода и кислорода, которых (естественных) известно по три каждого

Изотопы водорода: легкий, тяжелый и сверхтяжелый. Легкий — протий (ядро - один протон) составляет большую часть водорода обычной воды. Тяжелый (D) — дейтерий (ядро — протон и нейтрон). Его в обычной воде мало. Сверхтяжелый (Т) — тритий (ядро — протон и два нейтрона). Его вообще очень мало. Тритий радиоактивен, период полураспада больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Трития на всем земном шаре меньше одного килограмма, но его можно обнаружить в любой капле воды. Предполагают, что может существовать и четвертый, и пятый изотоп водорода.

Строение трех изотопов водорода очень напоминает строение одной, двух и трех элементной вибраторной антенны. Протий - это, скорее всего, антенна, состоящая из одного активного вибратора, дейтерий, возможно, антенна, состоящая из одного активного и одного пассивного вибратора, который в антенной технике называют экраном и располагают позади активного. Тритий, возможно, активный вибратор с двумя пассивными, один из них служит экраном, а второй - директором и располагается впереди активного вибратора. Масса активного и пассивного вибратора практически одинакова, что справедливо и для массы протона и нейтрона. Наличие пассивных вибраторов позволяет увеличить коэффициент усиления антенны, т. е. дальность ее действия, что применительно к химическим взаимодействиям может означать повышение активности химического элемента, что и наблюдается у дейтерия и трития. Если все это так, то аналогом протона является активный вибратор, а аналогом нейтронов - пассивные. Отличие нейтрона от протона состоит в том, что протон имеет заряд, а нейтрон заряда не имеет, что также хорошо согласуется с активным и пассивным вибратором.

Изотопы кислорода: легкий (его больше всего), средний (его совсем мало) и тяжелый (его также мало). Искусственно созданы и другие радиоактивные изотопы кислорода, которые живут очень недолго.

Молекула воды может быть образована сочетаниями различных изотопов водорода и кислорода. Поэтому существует очень много разных вод, но некоторые из них неустойчивы. Нет только обыкновенной воды, так как вся вода разная - «необыкновенная».

Легкая вода — это вода, образованная самым легким изотопом водорода и самым легким изотопом кислорода, но в чистом виде в природе такой воды (совокупности большого количества таким молекул без примеси других) нет. Она в небольших количествах существует только в нескольких лабораториях мира.

Тяжелая вода, образованная только тяжелыми изотопами водорода и кислорода, в природе также отсутствует. Однако при использовании тяжелой воды в качестве энергетического топлива из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем ее можно получить из ста килограмм высококачественного угля. Атомы тяжелой воды являются радиоактивными («мечеными») атомами и благодаря этому можно проследить путь (траекторию движения) любого вещества (везде и во всем, включая организм человека), в состав которого они входят.

Полутяжелая вода, в одной молекуле которой смешаны разные изотопы водорода, есть в любой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, так как в ней постоянно протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую.

Радиоактивная (тритиевая) вода, в состав молекулы которой входит тритий, выпадает на Землю вместе с осадками, но ее очень мало, а в океанской воде ее еще меньше. Эта вода очень опасна и пока нужна только ученым.

«Нулевая» вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эту воду физики и химики приняли за эталон, она имеет очень постоянный состав.

Тяжеловодородная вода, в состав молекул которой входит дейтерий, в ядерной технике называется тяжелой водой.

Тяжелокислородная вода, в которой тяжелой является молекула кислорода, может быть получена из природной воды, но получить ее очень сложно и трудно. Она нужна для исследований многих биологических и химических процессов.

Реальная вода - это смесь многих вод.

Вода из водопроводного крана, которую берут из рек и водохранилищ, содержит в небольших количествах и тяжеловодородную и тяжелокислородную воду. Во льду больших ледников Кавказа тяжелой воды больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной столько же, но в воде ручейков, бегущих по ледникам Кавказа, тяжеловодородной меньше, а тяжелокислородной больше, чем в речной. При испарении вода обогащается легким водородом, и поэтому дождевая вода отличается от воды водоемов. При замерзании уменьшается содержание тяжелого водорода, но повышается содержание тяжелого кислорода. Поэтому вода растаявшего льда отличается от той воды, из которой он был получен.

Классификация воды по источникам

Таблица 3

Распределение вод на земном шаре (единица измерения — миллион кубических километров)

Подземные воды глубокого залегания расположены в десятках-сотнях метрах от поверхности земли, они пропитывают пористые горные породы, а также образуют гигантские подземные бассейны, окруженные водонепроницаемыми слоями. Вода в таких подземных резервуарах находится под давлением.

Другой тип подземных вод поверхностные, расположенные в почве и верхних слоях земной поверхности на глубине нескольких метров. По сравнению с водами глубокого залегания у них есть один недостаток и одно преимущество. Недостаток: эти воды гораздо активнее контактируют с поверхностью земли и поэтому они слабее защищены от загрязнений, чем воды глубокого залегания. Преимущество этих вод заключается в том, что они более доступны и легко накапливаются в колодцах и поверхностных резервуарах.

Следующий по величине массив пресных вод (20—30 млн. км3) сосредоточен в ледниках Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана.

Пресную воду из атмосферы (около 13 тыс. км3) мы получаем в виде осадков — дождя и снега.

Мировой океан содержит большие запасы воды, которая может быть опреснена различными физико-химическими методами.

Основной запас пресной воды, употребляемой человеком, сосредоточен в озерах и реках. Одно из крупнейших российских озерных хранилищ воды — озеро Байкал содержит около 20 тыс. км3 воды. На сегодняшний день байкальская вода считается самой чистой в мире; она характеризуется следующими параметрами: содержание (в мкг/л) свинца — 0,7 (ПДК = 10), кадмия — 0,02 (ПДК = 1), ртути — 0,1 (ПДК = 1), мышьяка - 0,3 (ПДК = 10).

Другой источник воды – живые организмы. В растениях и животных, состоящих на две трети из воды, содержится 6 тыс. км3 воды. Человеческий организм находится в состоянии непрерывного водного обмена с окружающей средой: он выделяет воду в виде пота и мочи и ежедневно восполняет водные потери пресной водой. Если нет возможности напиться, то вода теряется с потом и с выдыхаемым воздухом, и в результате наступает угроза обезвоживания (дегидратации) организма. На первой стадии учащается пульс, возникает слабость, затем — головокружение и одышка. При обезвоживании, составляющем 10% от массы тела, происходят нарушение речи, зрения и слуха и потеря сознания. Гибель организма наступает от необратимых изменений в нервной и сердечно-сосудистой системах при водопотере 15—25% от массы тела (в зависимости от температуры окружающей среды).

Классификация воды по физическим свойствам

Природную воду исходя из ее физических свойств можно разделить на ряд групп по различным признакам, например,

По температуре:

• Холодные

Переохлажденные………………………. Менее 0 °С

очень холодные ………………………….0-10 °С

холодные………………………………….10-20 °С

• Низкотермальные

Теплые…………………………………….20-37 °С

Горячие…………………………………...37-50 °С

• Высокотермальные

очень горячие…………………………….50-100 °С

перегретые………………………………..более 100 °С, до критической температуры

По местонахождению:

• Атмосфера………………………….Метеорные

• Океаны, моря, озера, реки………...Поверхностные

• Земные недра……………………….Подземные

По различным видам состояния воды в горных породах (для подземных вод) :

• Парообразная (в незаполненных пустотах и порах пород), очень подвижна, может конденсироваться.

• Гигроскопическая, обволакивающая тончайшей пленкой частицы породы, прочно удерживается молекулярными и электрическими силами.

• Пленочная, также обволакивающая частицы породы, но более толстой пленкой; может передвигаться, но не подчиняется силе тяжести (гравитации).

• Гравитационная, или свободная, подчиняющаяся силе тяжести и передающая гидростатическое давление. Частный случай этой воды - капиллярная, которая может подниматься вопреки гравитации, например в легких глинах на высоту до 12 м, правда, за весьма длительный срок (около года).

• В форме льда, заполняющего трещины в породах или залегающего в форме пластов.

4. Аномальные свойства воды

Аномальные свойства воды были открыты учеными в результате длительных и трудоемких исследований. Эти свойства столь привычны и естественны в обыденной нашей жизни, что обычный человек даже не подозревает об их существовании. А вместе с тем вода - вечная спутница жизни на Земле действительно оригинальна и неповторима.

Как хорошо известно, вода принята за образец меры – эталон для всех других веществ. Казалось бы, за эталон для физических констант следовало бы выбрать такое вещество, которое ведет себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному веществу на нашей планете, которое в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах, или трех агрегатных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невидимый глазу пар).

Итак, главные аномалии воды:

1.Плотность дистиллированной воды при увеличении температуры от 0 до 100°С имеет максимум (при температуре 4°С), в то время как у других жидкостей она постоянно уменьшается. В соответствии с плотностью при температуре от 0 до 4°С объем воды уменьшается, а затем, при повышении температуры, увеличивается. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие жидкости. Плотность льда при 0°С примерно на 10% меньше плотности воды при этой температуре.

Примечание. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается не поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Страницы: 1, 2