Строение молекулы воды и химические свойства природных вод

Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и атомом кислорода в вершине. Атом кислорода в моле­куле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем са­мым приобретает отрицательный заряд. Атомы водорода, лишенные электронов, стано­вятся положительно заряженными протонами. Таким образом возникает полярность молекулы воды, т.е. отрицательный заряд со стороны атома кислорода и положитель­ный заряд со стороны атомов водорода.

Положительно заряженное ядро водорода одной молекулы может соединяться с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы. В результате возника­ют так называемые водородные связи, которые у воды (в отличие от других жидко­стей) гораздо прочнее, чем связи, обусловленные, межмолекулярными взаимодейст­виями. Преодоление этих связей при плавлении, испарении, нагревании воды требует гораздо большей энергии по сравнению с другими жидкостями. Это определяет ряд "аномалий" тепловых свойств воды.

Водяной пар состоит преимущественно из одиночных молекул воды без упорядо­ченного строения. Водородные связи не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядоченно. Молекулы составляют гексагональ­ную 'структуру с прочными водородными связями. Эта структура "ажурная", т.е. относительно большое пространство занимают пустоты. Вода в жидком состоянии со­храняет элементы "льдоподобного" каркаса, пустоты которого частично заполняются одиночными молекулами, что обуславливает большую, чем у льда, плотность воды.

Вода — слабый электролит, т.е. ее молекулы способны делиться на ионы (диссоциировать) по уравнению

H₂O↔H⁺+OH^-

При отсутствии примесей концентрации ионов H и OH (в молях на 1 л) равны между собой. При температуре от 0 до 50 [H⁺] = [OH^-]=10^-7. При наличии примесей это равенство может нарушиться. В случае преобладания ионов ОН^- имеет место щелочная реакция воды, при избытке ионов Н⁺ — кислая. Для характеристики реакции использу­ется водородный показатель рН, равный логарифму концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: рН = -lg[H⁺].

В природной воде всегда содержатс растворенные вещества. Их количество в единице объема — минерализация (мг/л), в единице массы - соленость (г/кг, или ‰).

Основную массу растворенных веществ составляют макрокомпоненты, к которым относятся анионы HCO₃^-, катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺. Суммарное содержание Са ²⁺ Mg⁺ определяет жесткость воды.

Многие вещества, содержащиеся в природной воде в значительно меньшем количестве, тем не менее играют важную роль в существовании водных экосистем, определяют потребительские свойства воды. Среди них выделяют следующие группы.

Биогенные вещества — соединения натрия, фосфора, кремния, железа, наиболее активно участвующие в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Органические вещества — сложные соединения, образующиеся в результате разложения растительных и животных организмов. Углерод составляет примерно по­ловину их массы, а вместе с кислородом и водородом 95%.

Микроэлементы — вещества, находящиеся в воде в очень малых количествах (менее 0,01 мг/л). К ним, в частности, относятся тяжелые металлы, радиоактивные вещества.

 

Физические свойства воды

Вода находится в природе в жидком, твердом и парообразном состоянии. Перехо­ды воды из одного агрегатного состояния в другое - фазовые переходы:

- переход из жидкого состояния в твердое (лед, снег, град) - замерзание воды (кристаллизация ледообразование), в пар – испарение;

- из парообразного состояния в жидкое — конденсация (образование капель дождя, дождь, росы), в твердое - сублимация (образование инея, гололеда, изморози);

При нормальном давлении пресная вода замерзает при температуре О°С; при уве­личении минерализации (солености) и давления (атмосферы, слоя воды) она понижает­ся. Испарение существенно повышается с увеличением температуры и уменьшением атмосферного давления.

Тепловые "аномалии" воды:

1) Очень большие значения

- удельной теплоемкости (1 кал для нагревания 1г воды на 1°С); это обусловливает за­медленное, по сравнению с воздухом, нагревание и охлаждение воды, отсюда отеп­ляющее влияние океана зимой и охлаждающее - летом;

- удельной теплоты плавления и ледообразования (соответственно поглощение и выде­ление 80 кал на 1г воды); последнее замедляет нарастание ледяного покрова на реках и водоемах;

- удельной теплоты парообразования, или испарения (требуется 597 кал на превраще­ние 1г воды в пар), это ведет к охлаждению поверхности воды при испарении и замед­лению процесса высыхания водоемов в засушливых местностях.

2) Низкая теплопроводность воды и льда, что замедляет охлаждение воды на ре­ках и водоемах зимой.

Особенности изменения плотности воды (ρ):

1) Наибольшая плотность пресной воды наблюдается при 4°С; при возрастании температуры выше этого значения плотность воды (как и других жидкостей) уменьша­ется, при уменьшении температуры ниже 4°С плотность воды также уменьшается; это главная особенность воды, препятствующая промерзанию рек и водоемов до дна.

2) Плотность воды, в отличие от других жидкостей, в твердом состоянии (лед) меньше, чем в жидком (плотность дистилированной воды при 4°С 1000кг/м³ или 1кг/л, при 0°С 999,9кг/м³, плотность кристаллического льда при 0°С 917кг/м³); это предот­вращает опускание льда, образующегося на поверхности воды, на дно. Плотность по­ристого льда и тем более снега намного меньше, чем кристаллического льда. С пони­жением температуры льда плотность его немного увеличивается.

С увеличением солености (S) плотность воды возрастает, а температура наиболь­шей плотности (Т_н.пл.) и температура замерзания (Т_змрз) воды понижаются, Т_н.пл.. от 4°С, Т_змрз от 0°С при S = 0‰. Т_н.пл. _ понижается более интенсивно, чем Т_змрз. При S = 24,7%, Т_н.пл сравниваются: Т _н.пл. = Т _змрз. = -1,2°С.

К важным особенностям воды относится очень высокое поверхностное натяже­ние (уступающее по величине только ртути). Оно вызвано силами притяжения между молекулами воды на поверхности раздела вода - воздух или вода - твердое тело. Это свойство обуславливает подъем воды в капиллярах почвы и растений.

Относительно высокая текучесть воды вызвана сравнительно небольшой вязко­стью, т.е. силой трения между смежными слоями движущейся жидкости. Количествен­ный показатель этого свойства - динамический коэффициент вязкости (μ). Деля этот коэффициент на плотность воды, получают кинематический коэффициент вязкости υ = μ/ρ. Вязкость существенно уменьшается с увеличением температуры воды.

Если выделить в водном потоке объем в виде куба, верхняя и нижняя грани кото­рого параллельны водной поверхности, то на него будут действовать силы, относящие­ся а) ко всей массе объема - это объемные, или массовые силы и б) к граням выде­ленного объема - поверхностные силы. Последние делятся на нормальные, направ­ленные перпендикулярно граням, и касательные, действующие вдоль граней.

К объемным (массовым) относятся следующие силы:

1. Сила тяжести (F_g), направленная вертикально вниз (к центру Земли) F_g = mg, где т - масса, g - ускорение силы тяжести. Продольная составляющая силы тяжести, вызывающая движение воды, F_gnp = mg sinα = mgI, где α - угол между водной и горизонтальной поверхностями, I = sinα - уклон водной поверхности.

2. Центробежная сила (F_ц) проявляется на поворотах потока. Если представить участок реки на повороте в виде дуги окружности, то расстояние от нее до центра ок­ружности называется радиусом кривизны (r). Тогда F _ц = mv²/r, где v - скорость течения. Г_ц направлена перпендикулярно дуге окружности в сторону от центра.

3. Сила Кориолиса (F_к), возникающая в результате вращения Земли и направ­ленная перпендикулярно движению потока в северном полушарии вправо, в южном влево. F_k=2 mv sinφ, где φ - географическая широта. F_к увеличивается от экватора, где она равна нулю, к полюсам.

Центробежная сила и сила Кориолиса заметно проявляется только для крупных потоков (с большой величиной массы воды).

К нормальным поверхностным силам относится гидростатическое давление, т.е. воздействие на грани выделенного объема вышележащего столба покоящейся жидко­сти, и гидродинамическое давление, т.е. воздействие движущейся жидкости на эти грани и обтекаемые ею твердые тела.

Среди касательных поверхностных сил наибольшее значение для потоков имеет сила трения на дне. Для турбулентного потока ее величина, отнесенная к единице площади дна (удельное трение, или касательное напряжение), зависит от характера дна (его шероховатости), пропорциональна плотности воды и скорости течения для лами­нарного течения и квадрату скорости для турбулентного.

Виды движения воды:

Указанные виды движения воды различаются тем, что при ламинарном течении частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания, а при тур­булентном течении в потоке возникают вихри, приводящие к перемещению частиц воды по глубине и ширине потока.

В качестве показателя гидродинамического характера потока используется число Рейнольдса: Re = vh/υ, где v - скорость течения (в м/с), h — глубина потока (в м), υ -кинематический коэффициент вязкости (в м²/с). При значениях Re < 300 движение ла­минарное, при Re > 3000 - турбулентное, между этими значениями Re характер потока переходный.

В водных объектах различают также поступательное движение, при котором происходит перемещение воды в определенном направлении, и колебательное движе­ние, при котором такое перемещение отсутствует.