Воздушные Пузырьки Дайвинг Подводный Удар Солнце
Изображение Martin Str с сайта Pixabay

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ВОДЫ
. § 5. Строение воды, ее аномалии и важнейшие физические свойства

Химически чистая вода состоит по весу из 11,19% водорода и 88,81% кислорода. Изучение структуры воды тесно. связано. с изучением трех агрегатных состояний, в которых она встречается на Земле. Строение воды определяется расположением ядер водорода относительно ядра кислорода. Исследования молекулы воды показали, что атомы кислорода и водорода располагаются по углам равнобедренного треугольника, на вершине которого находится атом кислорода (рис. 1 а). Угол при вершине равен примерно 106°, а стороны треугольника имеют длину 0,96. А (ангстрема), т. е. 10-10 м; расстояние между ядрами водорода Н=1,50 А Треугольник НОН находится внутри сферы, по которой движутся электроны. Центр инерции сферы С не совпадает с центром атома кислорода О и находится от него на расстоянии 0,13 А.

При образовании воды кислород отнимает от атомов водорода их электроны и становится отрицательно. заряженным ионом, а атомы водорода — положительно заряженными ионами. Так как атомы водорода расположены не на одной прямой с атомом кислорода, а под углом, т. е. несимметрично, то внутримолекулярные силы компенсируются неполностью. Появляются остаточные силы. Молекула воды образует электрический диполь, т. е. совокупность равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов, находящихся на малом расстоянии. Диполь молекулы воды характеризуется дипольным моментом, т. е. вектором, на­правленным от отрицательного к положительному заряду. Он равен произведению зарядов на расстояние между ними. Значитель­ный дипольный момент определяет способность молекулы воды ассоциироваться в различные комплексы, представляющие собой сочетание двух—восьми отдельных молекул.

В парообразном состоянии (при температуре 100° С) вода состоит главным образом из простых молекул, называемых гидролями и соответствующих формуле Н2О. В жидкой фазе вода представляет смесь простых молекул гидролей (Н2О), двойных — дигидролей (Н2О)2 и тройных молекул — тригидролей (Н2О)3.

Рис. 1. Строение молекул воды (а) и тетраэдральное расположе­ние молекул (б).

Рис. 1. Строение молекул воды (а) и тетраэдральное расположе­ние молекул (б).

В твердой фазе (лед) в воде преобладают тригидроли (Н20)3. При изменении температуры и давления соотношение между количест­вом гидролей, дигидролей и тригидролей изменяется. Вода в различных фазах имеет и различную структуру, т. е. характер расположения и упаковки молекул относительно друг друга. Рентгенографический анализ указывает на сходство структуры воды с кристаллической моделью. Наиболее вероятным оказалось тетраэдральное распо­ложение молекул, при котором четыре молекулы, занимающие вершины тетраэдра, окружают пятую (рис. 1 б). Положительные ионы водорода при этом направлены в сторону отрицательных ионов кислорода соседних молекул. Возникающие водородные связи, т. е. стяжения водорода одной молекулы воды с кислородом других, приводят к ассоциации молекул Н2О в многочис­ленные комплексы. . В жидкой фазе структура молекул воды отож­дествляется с кристаллической решеткой кварца; в твердой фазе (лед) она идентична решетке тридимита, который является алло­тропным изменением кремнезема. Тридимит имеет менее плотную решетку, чем кварц, и его удельный объем на 10% больше, чем кварца. Лед по сравнению с водой имеет менее плотную упаковку молекул. Наряду с ассоциированными молекулами существуют и беспорядочно расположенные, упаковка которых более плотная.

При охлаждении воды количество ассоциированных молекул возрастает, но так как при понижении температуры решетка воды непрерывно деформируется, приближаясь к решетке льда, то к моменту замерзания полная перестройка молекул завершается увеличением объема. Для большинства тел при переходе из жидкой фазы в твердую характерно уменьшение удельного объема и увеличение плотности. При замерзании воды удельный объем увеличи­вается примерно на 10%. Плотность чистого льда при температуре 0° С равна 0,9167 • 103 кг/м3, т. е. меньше, чем воды. Поэтому лед держится на поверхности, предохраняя водоемы от промерзания до дна. Образующийся внутриводный и донный лед  всплывает к поверхности. Сложной структурой молекул воды и пе­рестройкой их решеток можно объяснить увеличение плотности воды с повышением температуры от 0 до 4° С, аномальное изменение ее удельной теплоемкости с изменением температуры, высокую теплоту плавления, парообразования, диэлектрическую постоянную и некоторые другие особенности.

Согласно кинетической теории газов и жидкости, удельный объем всех тел при повышении температуры увеличивается, т. е. уменьшается плотность. Вода отличается от других тел и в этом отношении: в интервале от 0 до 4° С ее плотность увеличивается в связи с частичным разрушением тетраэдральной структуры, а при дальнейшем повышении температуры плотность уменьшается (удельный объем увеличивается) вследствие увеличения расстояния между молекулами. У морской воды температура наибольшей плотности зависит и от солености. С повышением температуры и понижением солености плотность уменьшается, а с понижением. температуры и увеличением солености увеличивается.

Вода обладает наибольшей из всех веществ удельной теплоемкостью, равной 1,000 кал/г • град, (в системе СИ 4,19 • 103 Дж/(кг • К)), за исключением водорода (3,4 кал/г * град., т. е. 14,2-103 Дж/(кг.Х ХК)) и жидкого аммиака (1,2 кал/г • град., или 5,02Х Х103 Дж/(кг * К)). Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1К (или 1°С). Теплоемкость морской воды несколько ниже, чем пресной, так как присутствующие в ее растворе вещества имеют незначительную теплоемкость. Обычно теплоемкость всех тел, как жидких, так и твердых, увеличивается с повышением температуры. Теплоемкость воды с повышением температуры от 0 до 40° С падает, а затем начинает повышаться. Теплоемкость морской воды уменьшается и с увеличением солености (при t=10° С и S = 10‰ удельная теплоемкость равна 4064 Дж/(кг • К), — при той же температуре и солености 30‰ — теплоемкость 3943 Дж/(кг * К)). Удельная теплоемкость воздуха и пород земной коры значительно меньше удельной теплоемкости воды: воздуха 993 Дж/(кг * К), кварца 796 Дж/(кг * К) и гранита 838 Дж/(кг * К). Большая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью воздуха и пород суши имеет огромное климатическое значение, оказывает влияние на тепловые и динамические процессы, протекающие на Земле.

Теплопроводность

Теплопроводность воды весьма незначительна. Теплопровод­ность химически чистой воды при температуре 293 К (20° С) равна 0,557 Вт/(м * К). Это значит, что в единицу времени (1 секунду) через единицу поверхности (1 м2) по направлению, перпендику­лярному к ней, протекает количество тепла, равное 0,557 Дж, при условии, что температура воды по этому же направлению понижается на расстоянии 1 м на 1 К. У морской воды при температуре 291 К -теплопроводность составляет 0,561 Вт/(м * К), воздуха при той-же температуре всего лишь 0,023 Вт/(м * К), морского льда 1,173 Вт/(м * К).

Вода, лед и воздух плохо. проводят тепло, поэтому в естествен­ных водоемах передача тепла в глубины происходит чрезвычайно медленно. Обогревание же глубинных вод связано с процессами вертикального перемешивания. Для Мирового океана — важную роль играет теплопроводность, связанная с турбулентностью, коэффициент которой в тысячи раз превосходит коэффициент молеку­лярной теплопроводности. Для оценки скорости переноса тепла определяют температуропроводность. Она равна отношению коэф­фициента теплопроводности воды к ее плотности и теплоемкости при постоянном давлении. Весьма малая теплопроводность воды, льда и снега и высокая теплоемкость благоприятны для развития жизни в водоемах.

Скрытая теплота испарения и льдообразования

Скрытая теплота испарения и льдообразования. При переходе воды из жидкой фазы в парообразное состояние процесс испарения происходит медленно, а с повышением температуры более интенсивно,. Когда упругость водяных паров становится равной внешнему давлению, вода закипает. Температура кипения — химически чистой воды при нормальном давлении 1013 мб (760 мм) соответст­вует 100° С, при -давлении 970 мб — 98,8° С, а при 1020 мб 100,2° С. При испарении и при конденсации 1 кг воды затрачивается и выделяется определенное количество тепла, называемое скрытой удельной теплотой парообразования (испарения), величина которой при 273 К равна 2,5 * 106 Дж/кг (597 кал/г). С повышением температуры она понижается и при 373 К равна 2,26 * 106 Дж/кг, т. е. 539 кал/г при 100° С. Скрытая теплота парообразования чистого льда или снега при 273 К больше, чем воды, на величину теплоты плавления 3,35 • 105 Дж/кг (677 кал/г). Температура замерзания и плавления льда при нормальном давлении равна 273 К. Количество тепла в джоулях, затрачивае­мое на превращение 1 кг льда в воду, называют скрытой теплотой плавления; равное ему количество тепла, затрачиваемое на превращение 1 кг воды в лед, — скрытой удельной теплотой льдообра­зования. Для пресного льда и воды она равна 3,35 * 105 Дж/кг (80 кал/г). Для морской воды, которая замерзает при разной температуре в зависимости от количества растворенных веществ, т. е. от солености, теплота плавления изменяется от 80 кал/г при t= -1 С и S = 0‰ до 48 кал/г при t = —2° С и S = 15‰.

Высокая теплота испарения воды и плавления льда имеет важное значение для теплового баланса Земли.

Диэлектрическая постоянная воды

Диэлектрическая постоянная воды (ε) весьма высока — она равна 81. У большинства тел она находится в пределах 2—8. Высокий дипольный момент при незначительном молекулярном объеме воды обусловливает высокое значение ε. Только немногие соединения обладают высокой диэлектрической постоянной (нитробензол 36, спирты метиловый 33, этиловый 26 и рутил 170). Вследствие большой диэлектрической постоянной вода отличается большой ионизирующей способностью (способностью расщеплять молекулы растворенных веществ на ионы) и высокой растворимостью различных элементов, входящих в состав почв и горных пород.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение. Внутримолекулярные силы проявляются внутри воды в виде сил сцепления, а на свободной поверхности — в виде сил прилипания. Первые обусловливают вязкость, вторые — поверхностное натяжение. На свободной поверхности межмолекулярные силы стремятся втянуть все молекулы во внутрь жидкости и уменьшить свободную поверхность. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, направ­ленная нормально к поверхности воды. Коэффициент поверхност­ного натяжения изменяется от 7,13 * 10-2 до 7,65 * 10-2 Н/м (от 71,32 до 76,52 дин/см) в зависимости от температуры и солености. С ним связано образование первичных капиллярных волн на поверхности озер, морей и океанов.

Вязкость

Вязкость. Вода обладает вязкостью, или внутренним трением. Сила внутреннего трения для воды

(1)

где fη — сила внутреннего трения; η — коэффициент турбулентной вязкости (трения);  

 — градиент скорости.

Для ламинарных движений с малыми скоростями, когда слои воды, не смешиваясь, как бы скользят друг по другу, характерна молекулярная вязкость.- Коэффициент молекулярной — вязкости чистой воды при 0° С равен 0,01795 • 10-5 кг • м/с.

При исследовании ламинарных движений коэффициент молеку­лярной вязкости иногда заменяют коэффициентом кинематической

Вязкости ν=η/ ρ (где ρ — плотность воды). С повышением температуры молекулярная вязкость заметно понижается, а с увеличением солености повышается. В природных условиях молекулярная вязкость имеет меньшее значение, чем турбулентная. Скорости и масштабы реальных динамических процессов определяют не 15 ламинарный, а турбулентный характер движения, при котором возникают вихреобразование и пульсации скорости. Коэффициент. молекулярной вязкости в этом случае заменяется коэффициентом турбулентного внутреннего трения.

Вода отличается большой подвижностью. Под влиянием. различных внешних и внутренних сил воды естественных водоемов приходят в движение. Наряду с такими крупномасштабными движениями, как приливы, сейсмические волны, течения, а также волнение, колебания. уровня, вертикальное перемешивание, движение воды может происходить под влиянием молекулярных сил. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами воды и веществ, с которыми они взаимодействуют, определяют движение воды в капиллярах почв и грунтов. Исследования физических свойств воды показывают, что у пресной воды эти силы зависят главным образом от изменений температуры и давления, а у морской, кроме того, и от солености. Так, например, морская вода, представляя собой высоко ионизированный раствор различных солей, хорошо проводит электрический ток.

Электропроводность

Электропроводность морской воды зависит от температуры и солености. При изменении температуры от 0 до 24° С и солености от б до 40‰ электропроводность увеличивается от 0,6 до 6,1 1/(Ом * м). Пресная вода плохо проводит электрический ток.

В воде обнаружены теллурические токи, обусловленные корпус­кулярным излучением Солнца, связанным с числом солнечных пятен. Величина ‘этих токов в Мировом океане выше, чем в земной коре, вследствие лучшей электропроводности морской воды. Эти токи усиливаются при магнитных бурях и увеличении интенсивно­сти солнечных сияний, т. е. в периоды солнечной активности.

Кроме теллурических токов, в воде обнаружены токи индукции, вызванные движением воды относительно силовых линий магнит­ного поля Земли.

При изучении физических и химических свойств воды необходимо принимать во внимание не только строение молекул воды.

Таблица 2

Физические характеристики Н2О и D2O

Характеристика Н2О (вода) D2O (тяжелая вода)
Плотность при 25° С 0,99704 • 103 кг/мЗ 1,10469 • 103  кг/мЗ
Температура плавления 0°С -3,82° С
Температура кипения 100° С 101,42°С
Температура наибольшей плотности 3,98° С 11,4° С
Диэлектрическая постоянная 81 80,5
Показатель преломления    
Поверхностное натяжение 1,33300 1,32844
7,23 Н/м2 (72,53 дин/см2) 6,78 Н/м2(67,8 дин/см2)

Таблица 3

Значения физических констант дистиллированной воды в разных системах единиц

Величина Система единиц Размерность Температура Переходный коэффициент к системе СИ
0° с 4° С 10° с
Удельный вес y си Н/м3 0,98049 • 104 0,98062 • 104 0,98035 • 104 1 ДИН/СМ2— 1 • 1Н/ м3
Плотность ρ СИ кг/м3 0,99984 • 103 0,99997 • 103 0,99970 • 103 1 г/см3= 1 • 103 кг/м3
Кинематическая СИ м2 0,17968 • 10-5 0,15670 • 10-5 0,13111 • 10-5  
Динамическая СИ Н • с/м2 0,17965 • IO-2 0,15667 • 10-2 0,13107 • 10-2  

Тепловые свойства воды

  Система единиц Размерность Значение при температуре Переходный коэффициент к системе СИ
  си Дж/(кг • К) 4,217 • 103 при 0° С 4,19 • 103
Удельная теплоемкость Вне (вне­системная) кал/г • град. 1,009 20° С
Коэффициент теплопроводности СИ Вт/(м • К) 0,582 } 15° С 4,19 • 102
Вне кал/см • град • сек. 1,39 • 10-3  
Удельная теплота парообразова­ния СИ Дж/кг 2,26 • 106 } 100°С 4,19 • 103
Вне кал 539

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973

Вас так же может заинтересовать:

Химический состав природных вод и условия его формирования