Свойства воды. Физико-химические свойства воды

Вещество, которое имеет молекулярное строение является водой. Молекулы воды имеют между собой прочную связь, не зависимо от того в твердом или жидком состоянии она находится. Благодаря этому вода и обладает довольно большим количеством физических свойств. Давайте рассмотрим какими удивительными физическими свойствами обладает вода.

В условиях комнатной температуры вода находится в жидком состоянии без запаха и прозрачного цвета. Вода не имеет цвета в тонком слое, но если толщина водяного слоя составляет несколько метров, она приобретает голубой оттенок. Чистая вода обладает плохой проводимостью тока. Поэтому по проходимости тока можно определять чистоту воды - чем нижу будет уровень электропроводности, тем чище будет вода. Большинство веществ, которые находятся в твердом состоянии наблюдается более высокая плотность, чем в жидком состоянии. Но в отличии от всех этих веществ, вода, которая находится в твердом состоянии (лед) обладает более низкой плотностью, чем в жидком состоянии.

Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоемкости, но тем не менее процесс остывания происходит намного медленнее. Это дает возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям, а высвобождение тепла происходит в зимний период, именно поэтому нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря - это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории нашей планеты.

Основными физическими свойствами воды являются - запах, цвет, прозрачность, вкус, плотность, температура, вязкость, сжимаемость, электропроводность, а также радиоактивность.

Цвет подземных вод будет напрямую зависеть от ее химического состава, а также от механических примесей, которые находятся в воде. Чаще всего подземные воды не имеют цвета. Воды болотного происхождения обладают желтоватым оттенком, а также в их состав входят гуминовые вещества. Изумрудный оттенок присутствует в сероводородных водах. Оценку цвета воды необходимо проводить с помощью стандартной платино-кобальтовой шкале в градусах.

В подземных водах, в большинстве случаев, отсутствует запах . Если в воде присутствует запах, это говорит о том, что в воде присутствует наличие газов биохимического происхождения, а также может являться признаком того, что в воде находятся гниющие органические вещества. Характер запаха определяется описательно - сероводородный, без запаха, гнилостный, болотный, плесневелый и др. По шкале в балах происходит оценка интенсивности запахов.

От состава растворенных в воде веществ будет зависеть ее вкус . Из-за присутствия в воде хлористого натрия преобладает соленый вкус, из-за сульфата магния - горький, а благодаря солям железа - ржавый вкус. Воды, в которых находится большое количество органических веществ имеют сладковатый вкус, а освежающий вкус получается благодаря наличию свободной углекислоты. По специальной таблице в баллах происходит оценка вкуса воды.

От количества растворенных в воде минеральных веществ, коллоидов, органических веществ, а также содержания механических примесей будет зависеть ее прозрачность . Для определения степени прозрачности подземных вод используется следующая номенклатура - слабопалесцирующая, прозрачная, слегка мутная, опалесцирующая, сильно мутная, мутная. Чаще всего подземные воды бывают прозрачными. По стандартной шкале в мг/л происходит оценка мутности воды.

В зависимости от геотермических особенностей района происходит изменение температуры воды . Она является отражателем тектонических, возрастных, гидродинамических, а также литологических особенностей водовмещающих толщ. Температура воды оказывает непосредственное влияние на вязкость, коэффициент фильтрации, а также на химический состав.

Подземные воды, которые находятся в естественных условиях могут переохлаждаться, быть холодными, термальными, а также перегретыми.

Отношением массы к объему определяется плотность воды при определенной температуре. Единицей плотности воды является плотность дистиллированной воды, температура которой составляет четыре градуса. От температуры, газов, растворенных в ней солей, а также от взвешенных частиц зависит плотность воды.

Практически нет сжимаемости воды , и определяется с помощью коэффициента сжимаемости. Благодаря внутреннему сопротивлению частиц жидкости к ее движение происходит определение вязкости воды, она выражается кинематической вязкостью и коэффициентами динамической вязкости.

От количества растворенных в воде солей будет зависеть электропроводность подземных вод. Незначительная электропроводность наблюдается в пресных водах. Изолятором является дистиллированная вода. Благодаря удельному электрическому сопротивление происходит оценка электропроводности воды.

По количеству содержания в воде радона определяется радиоактивность воды . Довольно редко встречаются радиоактивные подземные воды.

Четыре элемента природы, четыре стихии родили на Земле жизнь — это огонь, воздух, земля и вода. Причем вода появилась на нашей планете на несколько миллионов лет, чем та же почва или воздух.

Казалось бы, вода уже изучена человеком, но ученые до сих пор находят самые удивительные факты об этом природном элементе.

Вода стоит особняком в истории нашей планеты.
Нет природного тела, которое могло бы
сравниться с ней по влиянию на ход основных,
самых грандиозных, геологических процессов.
В.И. Вернадский

Вода — это самое распространенное неорганическое соединение на земле. И первое исключительное свойство воды в том, что она состоит из соединений атомов водорода и кислорода. Казалось бы, такое соединение, согласно химическим законам, должно быть газообразным. А вода — жидкая!

Так, например, всем известно, что вода существует в природе в трех состояниях: твердом, жидком и в виде пара. Но уже сейчас выделяют более 20 состояний воды, из которых только 14 — это вода в замерзшем состоянии.

Удивительно, но вода — единственное вещество на Земле, плотность которого в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Именно поэтому лед не тонет, а водоемы не промерзают до самого дна. Разве что при экстремально холодных температурах.

Еще один факт: вода — универсальный растворитель. По количеству и качеству растворенных в воде элементов и минералов ученые выделяют приблизительно 1330 видов воды: минеральная и талая, дождевая и роса, ледниковая и артезианская…

Вода в природе

В природе вода играет важнейшую роль. При этом она оказывается задействованной в самых разных механизмах и жизненных циклах на земле. Вот лишь несколько фактов, которые наглядно демонстрируют ее значимость для нашей планеты:

• Значение круговорота воды в природе просто огромно. Именно этот процесс позволяет животным и растениям получать столь необходимую для их жизни и существования влагу.
• Моря и океаны, реки и озера — все водоемы играют важнейшую роль в создании климата той или иной местности. А высокая теплоемкость воды обеспечивает комфортный температурный режим на нашей планете.
• Вода играет одну из ключевых ролей в процессе фотосинтеза. Не будь воды, растения не могли бы перерабатывать углекислый газ в кислород, а значит — воздух был бы непригоден для дыхания.

Вода в жизни человека

Главный потребитель воды на Земле — это человек. Не случайно все мировые цивилизации формировались и развивались исключительно вблизи водоемов. Значение же воды в жизни человека просто огромное.

• Тело человека тоже состоит из воды. В теле новорожденного — до 75% воды, в теле пожилого человека — более 50%. При этом известно, что без воды человек не выживет. Так, когда у нас исчезает хотя бы 2% воды из организма, начинается мучительная жажда. При потере более 12% воды человеку уже не восстановится без помощи врачей. А потеряв 20% воды из организма, человек умирает.
• Вода является для человека исключительно важным источником питания. По статистике человек за месяц в норме потребляет 60 литров воды (2 литра в день).
• Именно вода доставляет к каждой клеточке нашего организма кислород и питательные вещества.
• Благодаря наличию воды наш организм может регулировать температуру тела.
• Вода также позволяет перерабатывать пищу в энергию, помогает клеткам усваивать питательные вещества. А еще вода выводит шлаки и отходы из нашего тела.
• Человек повсеместно использует воду для своих нужд: для питания, в сельском хозяйстве, для различного производства, для выработки электроэнергии. Неудивительно, что борьба за водные ресурсы идет нешуточная. Вот всего лишь несколько фактов:

Более 70% нашей планеты покрыто водой. Но при этом всего 3% всей воды можно отнести к питьевой. И доступ к этому ресурсу с каждым годом становится все труднее. Так, по данным РИА-новости за последние 50 лет на нашей планете произошло более 500 конфликтов, связанных с борьбой за водные ресурсы. Из них более 20 конфликтов переросли в вооруженные столкновения. Это всего лишь одна из цифр, ярко демонстрирующих то, насколько важна роль воды в жизни человека.

Загрязнение воды

Загрязнением воды называют процесс насыщения водоемов вредными веществами, отходами производства и бытовыми отходами, в результате которого вода теряет большую часть своих функций и становится непригодной для дальнейшего потребления.

Основные источники загрязнения:

1. Нефтеперерабатывающие предприятия
2. Тяжелые металлы
3. Радиоактивные элементы
4. Ядохимикаты
5. Стоки городских канализаций и животноводческих ферм.

Ученые давно бьют тревогу, что мировой океан ежегодно получает свыше 13 млн. тонн отходов нефтепродуктов. При этом Тихий океан получает до 9 млн.тонн, а Атлантика — более 30 млн.тонн.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения на нашей планете уже не осталось источников, в которых присутствовала бы чистая природная вода. Есть лишь водоемы, загрязненные менее остальных. И это грозит катастрофой нашей цивилизации, так как без воды человечество просто не выживет. А заменить ее нечем.

Вода - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71% поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах).

Свойства воды - это совокупность физических, химических, биохимических, органолептических, физико-химических и других свойств воды.
Вода - оксид водорода - одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет, - она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см 3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.
Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Химические свойства воды обусловлены ее составом. Вода на 88,81% состоит из кислорода, и только на 11,19% – из водорода. Как мы упоминали выше, вода замерзает при нуле градусов Цельсия, а вот закипает – при ста. Дистиллированная вода имеет очень низкую концентрацию положительно заряженных ионов гидроксония НО и Н3О+ (всего 0,1 мкмоль/л), поэтому ее можно назвать отличным изолятором. Однако свойства воды в природе не были бы реализованы правильно, если бы она не была хорошим растворителем. Молекула воды очень мала по размеру. Когда в воду попадает другое вещество, его положительные ионы притягиваются атомами кислорода, составляющими молекулу воды, а отрицательные – атомами водорода. Вода как бы окружает со всех сторон растворенные в ней химические элементы. Поэтому, в воде почти всегда содержатся различные вещества, в частности, соли металлов, обеспечивающие проведение электрического тока.

Физические свойства воды «подарили» нам такие явления, как парниковый эффект и микроволновая печь. Около 60% парникового эффекта создает водяной пар, который отлично поглощает инфракрасные лучи. При этом показатель оптического преломления воды n=1,33. Кроме того, вода поглощает и микроволны, благодаря высокому дипольному моменту ее молекул. Эти свойства воды в природе и натолкнули ученых на мысли об изобретении микроволновой печи.

Неизмеримо велика роль воды в природе и жизни человека. Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Она - активнейший участник формирования физической и химической среды, климата и погоды. При этом она влияет и на экономику, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и энергетику.

Без пищи мы можем прожить несколько недель, а без воды - лишь 2-3 дня. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в водорослях 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65%. Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%. В течение всей своей жизни человек теряет воду из организма, и его биоэнергетический потенциал уменьшается. В шестинедельном человеческом эмбрионе содержание воды составляет до 97%, у новорождённого - 80%, у взрослого - 60-70%, а в организме пожилого человека - лишь 50-60%.

Вода абсолютна необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Вода и содержащиеся в ней вещества становятся средой питания и поставляют живым организмам необходимые для жизни микроэлементы. Она содержится в крови (79%) и способствует переносом по кровеносной системе в растворённом состоянии тысяч необходимых веществ и элементов (геохимический состав воды близок к составу крови животных и человека.).
В лимфе, которая осуществляет обмен веществ между кровью и тканями живого организма вода составляет 98%.
Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Через определённое время она может растворить почти любое твёрдое вещество.
Такая всеобъемлющая роль воды обусловлена её уникальными свойствами.

В последнее время усилия исследователей сосредоточены на форсированном изучении процессов, протекающих на границе раздела фаз. Оказалось, что вода в граничных слоях обладает многими интересными свойствами, которые не проявляются в объемной фазе. Эта информация крайне необходима для решения ряда важных практических задач. Примером может служить создание принципиально новой элементной базы микроэлектроники, где дальнейшая.миниатюризация схем будет основана на принципе самоорганизации макромолекул на водной поверхности. Развитая поверхность также характерна для биологических систем, что обусловлено важностью поверхностных явлений для их функционирования. Практически всегда существенное влияние на характер процессов, происходящих в приповерхностной области, оказывает присутствие воды. В свою очередь под влиянием поверхности кардинально изменяются свойства самой воды, и воду у границы необходимо рассматривать как принципиально новый физический объект исследования. Весьма вероятно, что изучение молекулярно-статистических свойств воды вблизи поверхности, которое, по существу, только начинается, даст возможность эффективно управлять многими физическими и химическими процессами.

В последнее время возрос интерес к исследованиям свойств воды на микроскопическом уровне. Так, для понимания многих вопросов физики поверхностных явлений необходимо знать свойства воды на границе раздела фаз. Отсутствие строгих представлений о структуре воды, об организации воды на молекулярном уровне приводит к тому, что при изучении свойств водных растворов как в объемной фазе, так и в капиллярных системах вода часто рассматривается как бесструктурная среда. Однако известно, что свойства воды в граничных слоях могут заметно отличаться от объемных. Поэтому, рассматривая воду как бесструктурную жидкость, мы теряем уникальную информацию о свойствах граничных слоев, которые, как оказывается, во многом определяют природу процессов, протекающих в тонких порах. Например, ионная селективность ацетатцеллюлозных мембран объясняется особой молекулярной организацией воды в порах, которая, в частности, нашла свое отражение в концепции «нерастворяющего объема». Дальнейшее развитие теории, учитывающей специфику межмолекулярных взаимодействий, лежащих в основе селективного мембранного транспорта, будет способствовать более полному пониманию мембранного опреснения растворов. Это позволит дать обоснованные рекомендации для улучшения эффективности технологических процессов опреснения воды. Отсюда вытекают важность и необходимость исследований свойств жидкости в пограничных слоях, в частности вблизи поверхности твердого тела.

Вода – одно из самых удивительных соединений на Земле – давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств:

1) Неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой – твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа. Это свойство обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

2) Присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавлении (переходе в жидкое состояние).

3) Максимальная плотность при температуре +4 °С и связанные с этим весьма важные свойства для природных и биологических процессов, например исключение глубокого промерзания водоемов. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной воды наблюдается в аномальных условиях – при температуре 3,98-4 °С (или округленно +4 °С), т. е. при температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4 °С в обе стороны плотность воды убывает.

4) При плавлении (таянии) лед плавает на поверхности воды (в отличие от других жидкостей).

5) Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность и объем воды изменялись 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 его 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 на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

6) Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды – на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

7) Способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу – из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название – сублимация.

8) Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H 2 Se, теллура Н 2 Те) и воды (Н 2 О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка 60 °С, а температура замерзания – ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды – при нормальном давлении в 1 атм. вода кипит при +100 °С, а замерзает при 0 °С.

9) Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м 3 воды на 1 0 С на столько же нагревается 3000 м 3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий.

10) Вода поглощает тепло при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании.

11) Способность воды в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах.

12) Вода – универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках. Способность воды к растворению обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

13) Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное давление и поверхностное натяжение: = 75·10 -7 Дж/см 2 (глицерин – 65, аммиак – 42, а все остальные – ниже 30 ·10 -7 Дж/см 2). В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

14) Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000 °С.

15) Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

16) Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине – ядро атома кислорода (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Строение молекулы воды

Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем. При этом положительный полюс одной молекулы воды притягивает отрицательный полюс другой молекулы воды. В результате получаются агрегаты (или ассоциации молекул) из двух, трех и более молекул (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Образование диполями воды ассоциированных молекул:

1 – моногидроль Н 2 О; 2 – дигидроль (Н 2 О) 2 ; 3 – тригидроль (Н 2 О) 3

Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду содержатся, в основном, тригидроли, объем которых больше моногидролей и дигидролей . При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, силы притяжения между молекулами ослабевают, и в жидком состоянии вода – это смесь три-, ди- и моногидролей. С дальнейшим увеличением температуры тригидрольные и дигидрольные молекулы распадаются, при температуре 100 °С вода состоит из моногидролей (пар).

Существование неподеленных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Водородные связи в молекулах воды:

– обозначение водородной связи

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, а в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой. К наименее плотным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы Н 2 О. При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: возникают ассоциаты – зародыши кристаллических образований. В этом смысле вода находится как бы в промежуточном положении между кристаллическим и жидким состояниями и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одинокие молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становятся более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, ее плотность возрастает. При + 4 °С вода имеет самую плотную упаковку.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является «обычная» молекула с молекулярным весом 18. Содержание молекул с большим молекулярным весом невелико. Так, «тяжелая вода» (молекулярный вес 20) составляет менее 0,02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в тонне речной воды ее не более 150 г, морской –160-170 г. Однако, ее присутствие придает «обычной» воде большую плотность, влияет на другие ее свойства.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.

Вода играет исключительно важную роль в природе. Она соз­дает благоприятные условия для жизни растений, животных, мик­роорганизмов. Вода остается жидкостью в температурном интер­вале, наиболее благоприятном для их жизненных процессов, для огромной массы организмов она является средой обитания. Уни­кальные свойства воды представляют неповторимую ценность для жизнедеятельности организмов. В водоемах вода замерзает сверху вниз, что имеет большое значение для обитающих в них организ­мов.

Аномально высокая удельная теплоемкость воды благоприятст­вует аккумуляции колоссального количества тепла, способствует медленному нагреванию и охлаждению. Обитающие в воде орга­низмы защищены от резких спонтанных колебаний температуры и состава, так как постоянно приспосабливаются к медленным рит­мическим колебаниям - суточным, сезонным, годовым и так далее. Вода оказывает смягчающее влияние на погодно-климатические условия. Она постоянно перемещается во всех сферах Земли, вместе с цир­куляционными потоками атмосферы - на большие расстояния. Циркуляция воды в океане (морские течения) приводит к плане­тарному тепло- и влагообмену. Известна роль воды как мощного геологического фактора. Экзогенные геологи­ческие процессы на Земле связаны с деятельностью воды как эро­дирующего агента. Размыв и разрушение горных пород, эрозия почв, перенос и отложение веществ - важные геологические про­цессы, связанные с водой.

Большинство органических веществ биосферы представляют собой продукты фотосинтеза, в результате которого в растениях, использующих световую энергию Солнца, образуются органиче­ские вещества из углекислого газа и воды. Вода - единственный источник кислорода, выделяемого в атмосферу при фотосинтезе. Вода необходима для биохимических и физиологических процес­сов, происходящих в организме. Живые организмы, в том числе человек, состоящий на 80 % из воды, не могут обойтись без нее. Потеря 10-20 % воды приводит их к гибели.

Вода играет огромную роль в жизнеобеспечении человека. Она используется им непосредственно для питья и хозяйственных нужд, как средство передвижения и сырье для получения промышленных и сельскохозяйственных продуктов, имеет рекреационное значение, велика ее эстетическая значимость. Таково далеко не полное пере­числение роли воды в природе и жизни человека.

В природе вода не встречается в химически чистом виде. Она представляет собой растворы сложного состава, которые вклю­чают газы (О 2 , CO 2 , Н 2 S, СН 4 и другие), органические и минеральные вещества. В движущихся потоках воды присутствуют взвешенные частицы. В природных водах найдено подавляющее большинство химических элементов. Воды океанов содержат в среднем 35 г/дм 3 (34,6-35,0 ‰) солей. Их основную часть составляют хлориды (88,7%), сульфаты (10,8 %) и карбонаты (0,3 %). Наименее минера­лизованы воды атмосферных осадков, ультрапресные воды гор­ных потоков и пресных озер.

В зависимости от содержания растворенных минеральных ве­ществ различают воды: пресные с содержанием растворенных солей до 1 г/дм 3 , солоноватые - до 1-25 г/дм 3 , соленые - более 25 г/дм 3 . Граница между пресными и солоноватыми водами принята по среднему нижнему пределу вкусового восприятия человека. Гра­ница между солоноватыми и солеными водами установлена на том основании, что при минерализации 25 г/дм 3 температура за­мерзания и максимальной плотности количественно совпадает.