ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ВОДЫ

Мы привыкли к воде, как привыкают к самым обычным явлениям - ведь она всегда с нами: в быту, на работе, в природе. Широкая распространенность воды породила представление о ней как о весьма простом веществе. Сейчас уже никто этого не скажет.

Вода - совершенно необыкновенное вещество. Прежде всего, потому, что это самое известное и вместе с тем самое загадочное явление. О воде, знакомой человеку с колыбели, написаны бесчисленные монографии и книги; ученые и сейчас продолжают изучать ее свойства. И, тем не менее, трудно найти другое вещество, в котором было бы спрятано столько труднообъяснимых качеств.

Необыкновенность физико-химических свойств молекул воды основана на их способности изменять структуру водородных связей.

Водородная связь - сила притяжения, возникающая между атомом водорода и электроотрицательными атомами, способными притягивать электроны, например, атомы кислорода, фтора, хлора. Атом кислорода в молекуле воды оттягивает от связанных с ним химической связью двух атомов водорода, валентные электроны и приобретает небольшой отрицательный заряд, а каждый атом водорода - небольшой положительный заряд. Возникший положительный заряд атома водорода притягивается к неподеленной паре электронов атома кислорода соседней молекулы воды. Эти силы притяжения, или водородная связь, удерживают соседние молекулы воды в непосредственной близости друг от друга. Водородная связь намного слабее обычной ковалентной связи, но она обусловливает многие аномальные, т.е. отклоняющиеся от общих закономерностей, свойства воды.

Эти связи легко разрушаются и быстро восстанавливаются. Между молекулами воды осуществляется интенсивное взаимодействие, в результате которого происходит быстрое изменение структурной решетки. Этим отличается структура молекул воды от других веществ, например, от твердых кристаллических тел, у которых существует устойчивая структурная решетка.

Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода - H₂O. Все казалось бы просто. Но на самом деле есть 42 сочетания этих атомов в молекуле воды, и девять из них - устойчивы. Значит, обычная вода состоит из смеси девяти видов воды, имеющих различные свойства.

Эта бесцветная и безвкусная жидкость обладает совершенно уникальной способностью образовывать необыкновенную прочную поверхностную пленку. Более того, установлено, что чем чище вода, тем сильнее растет ее поверхностное натяжение. Так, способность воды к "смачиванию" за счет высокого поверхностного натяжения обуславливает так называемые капиллярные явления - подъем воды на значительную высоту по тончайшим трубочкам-капиллярам. Такими капиллярными каналами пронизана почва, что позволяет грунтовым водам подниматься вверх к корневой системе растений. Капиллярные силы позволяют растениям в период вегетации "выкачивать" из каждого гектара почвы тысячи тонн влаги.

Вода, как все вещества в природе, при охлаждении от +100⁰C до +4⁰C уменьшается в объеме. При дальнейшем охлаждении до 0⁰C ее объем увеличивается. Такое свойство типично только для воды. Ученые объясняют это тем, что при понижении температуры от 4⁰C до 0⁰C происходит перестройка ее внутренней структуры, жидкость превращается в лед, т.е. в кристалл, где молекулы образуют своеобразную решетку. При замерзании объем воды возрастает примерно на 11%. В связи с этим ее замерзание в замкнутом пространстве приводит к возникновению избыточного давления.

Этим объясняют разрушительную силу замерзающей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалывающую подчас многотонные глыбы и дробящую их в дальнейшем на мелкие осколки. С увеличением давления температура замерзания воды уменьшается. Эта зависимость у воды аномальна: у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Подобная аномалия воды очень важна. Даже без учета растворенных в ней солей вода на больших глубинах не замерзает, причем при температуре -3⁰C это не случается даже на глубине около 4 тыс. м.

Так как максимальная плотность воды наблюдается при 4⁰C, то лед оказывается легче воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы этого не происходило, то водоемы и водотоки промерзали бы зимой до самого дна, что было бы катастрофой для всего живого в них.

Теплоемкость воды в 3.3 тыс. раз выше теплоемкости воздуха. Иными словами, нагревая 1л. воды и 1л. воздуха на 1⁰C, мы в первом случае затратим в 3.3 тыс. раз больше энергии, чем во втором. Климатическое значение этой аномалии трудно переоценить. Высокая теплоемкость делает воду главным аккумулятором солнечной энергии и распределителем ее на планете. Морские течения переносят тепло, накопленное летом в морях и океанах, из южных в северные районы земного шара, прогревая по пути воздух и воду, смягчая и выравнивая климат в этих широтах.

Являясь хорошим растворителем, вода сохраняет свою инертность. Благодаря этому свойству, живые организмы получают питательные важнейшие вещества в растворах в малоизмененном виде.

В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Абсолютно нерастворимых в воде веществ в природе нет: в ничтожных количествах этому процессу подвержены даже такие элементы, как серебро, золото, гранит, базальт и др.

В естественных условиях практически невозможно представить чистую воду. Она всюду обогащена примесями различных веществ. Дождевая вода имеет примеси веществ, находящихся в атмосфере. В воздухе над морями и океанами содержатся соли, характерные для морской океанической воды. Вода рек и озер обогащена частицами поверхностной почвы и горных пород.

По количеству ионов солей природные воды делятся на пресные, минерализация которых не превышает 1г/л; минерализованные, содержащие от 1 до 50 г/л минеральных солей, и рассолы, в которых отмечено свыше 50 г/л минеральных солей.

Пресные воды, в свою очередь, подразделяются на слабоминерализованные (до 200 мг/л растворенных солей), среднеминерализованные (200-500 мг/л) и сильноминерализованные (свыше 500 мг/л).

Общим для поверхностных вод озер и рек является тот факт, что основным компонентом растворимых солей является гидрокарбонат кальция, в меньшей степени - гидрокарбонат магния. Из анионов в существенно меньших количествах присутствуют хлориды, сульфаты и силикаты, а также нитраты, нитриты и карбонаты. Из катионов - натрий и аммоний.

По содержанию ионных примесей определяется классификация природных вод. Наиболее часто встречаются воды: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.