Свойства воды как химического соединения

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

Только вода в нормальных земных условиях может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Это обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную, работу.

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.

Характерная особенность воды – наличие водородных связей между атомами кислорода и водорода соседних молекул, которое приводит к ряду уникальных особенностей, крайне важных для жизни на Земле. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в вершинах (4 полюсах) находятся два отрицательных заряда и два положительных. Существование неопределенных электронных пар определяет возможность образования водородных связей. Еще две связи возникают за счет водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи. Молекула воды – электрический диполь и способна электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы.

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой.

Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H₂Se, теллура Н₂Те), и воды (Н₂О), 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.

Необычно изменяется и плотность воды. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной воды наблюдается в аномальных условиях – при температуре +3.98° С (или округленно +4° С), т. е. при и температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4° С в обе стороны плотность воды убывает. 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 в твердое состояние плотность и объем воды изменялись так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природныхвод 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 жизнь в воде была бы невозможна. 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.

Вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м3 воды на 1° С на столько же нагревается 3000 м3 воздуха. 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. Именно поэтому температура в море более постоянна, чем на суше, и меняется значительно медленнее. Аккумулируя тепло, океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий. Большинству морских организмов, постоянно обитающих под водой, не нужно приспосабливаться к быстрой смене температуры.

Вода – универсальный растворитель, поэтому в природе небывает химически чистой воды. Эта способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное натяжение и поверхностное давление. 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.

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

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

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.

К наименее плотным водным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекул воды. В жидкой воде водородные связи сохраняются: образуются ассоциаты – зародыши кристаллических образований, существующие очень короткий промежуток времени. Упаковка молекул становится более плотной. Именно поэтому лед тает при значительно более высокой температуре (0°С), чем должен был бы при отсутствии водородных связей (-90°С). Поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой уменьшается, а ее плотность возрастает. При +4 С вода имеет самую плотную упаковку.

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 с весом 18. Содержание тяжелой воды (20) составляет менее 0.02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в точнее речной воды ее не более 150, морской – 160-170 г. Однако ее присутствие придает "обычной" воде большую плотность, влияет и на другие ее свойства.

Вода - самый универсальный природный растворитель. Лучше всего она растворяет соли, состоящие из положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Электрические заряды ионов значительно больше, чем за­ряды на полюсах молекул воды, поэтому в отсутствие воды они формируют кристаллы с очень плотно упакованными молекулами. Если поместить кристалл соли в воду, каждый ион тотчас окружается молекулами воды, которые повернуты к нему противоположно заряженными концами, и изолируется от остальных ионов. Связи между ионами в кристалле резко ослабевают, и кристалл растворяется.

Соленость. Соленый вкус – самая характерная особенность морской воды. Морские и океанические воды существенно отличаются от вод суши не только массой, но и составом. В каждом литре морской воды растворено в среднем 35 г солей. Концентрация же солей в пресных водах суши обычно не превышает 1–2 г на литр.

Проблема происхождения солевого состава океана связана с проблемой происхождения самого океана. Интересно отметить, что, по данным П. Вейля (1977), время пребывания солей в океане составляет 2.2-10⁷ лет, то есть на два порядка меньше, чем время пребывания воды, которое мы считаем равным возрасту Земли. Следовательно, либо соли по­ступают в океан с меньшей скоростью, чем вода (то есть вода в океане «старше», чем его соли), либо, как указывает Вейль, должен существовать какой-то механизм, при помощи которого океан освобождается от солей.

Как рассказывается в старинной скандинавской сказке, море потому соленое, что где-то на его дне постоянно работает волшебная солемолка. Сказка оборачивается чистой правдой. «Фабрика», как устано­влено современной геофизической теорией, – это срединно-океанический рифт, извилистой линией протянувшийся по всем главным океанским впадинам на расстояние около 40 тысяч миль. В областях, где океаническое дно раздвигается в разные стороны со скоростью несколько сантиметров в год, из пластич­ной мантии в рифт поднимается свежая базальтовая лава; вместе с ней поднимается ювенильная вода. Вода, никогда ранее не пребывавшая в жидкой фазе, в которой растворены многие эле­менты, содержащиеся в морской воде, в том числе хлор, бром, йод, углерод, бор, азот и различные рассеянные элементы (trace elements). Кроме того, некоторое дополнительное количество ювенильной воды, также соленой, но несколько иного химического состава, поступает в море из вулканов, обрамляющих не­которые континентальные окраины, например тихоокеанские, в пределах которых океанское дно, по-видимому, погружается в глубокие желоба.

Ювенильные воды наиболее характерны именно теми элемента­ми, присутствие которых в морской воде нельзя было бы объяс­нить, если бы все твердые вещества, растворенные в ней, посту­пали в море просто за счет выветривания горных пород на суше. Раньше считалось, что такие «недостающие» элементы, как хлор, бром и йод, когда-то называвшиеся «избыточными летучими», поступают в море исключительно в результате вулканических извержений.

Чтобы получить общее весовое содержание соли, надо перед выпариванием удалить из морской воды все органическое вещество, бромиды и йодиды преобразовать в хлориды, а карбонаты – окислы (оксиды). Полученный при этом вес соли в граммах на килограмм морской воды предста­вляет собой соленость – S‰.. Большую часть растворенного в морской воде вещества составляет хлористый натрий, то есть обычная поваренная соль. Соленость представляет собой общее количество растворенного в морской воде вещества. Если быть точнее, то соленость следует понимать как «общее количество твердых веществ в граммах на кило­грамм морской воды при условии, что все карбонаты переведены в оксиды, бром и йод замещены хлором и все органическое ве­щество окислено». Обычно соленость в океанах составляет 34,69 г/кг, или 34,69%0, где символ «‰»-«промилле»-означает «частей на тысячу». В таблице 4-1 приведен состав морской воды при солености 35 ‰.

На практике в настоящее время общий вес солей в морской воде никогда не определяется. Вместо этого тщательно изме­ряется содержание иона хлорида, а суммарный вес всех остальных ионов рассчитывается на основании «постоянства от­носительных пропорций». Такой подход сложился в середине де­вятнадцатого века, когда Джон Мёррей устранил путаницу, свя­занную с большим разнообразием солей, заметив, что при анализе морской воды каждый ион в отдельности - важная вещь. Независимо от него А. М. Марсе установил на основании большого числа опытов, что в Мировом океане различные ионы присутствуют почти в одинаковых пропорциях, а изменяется только общее содержание солей. Этот факт постоянства относительного содержания компонентов был подтвержден Иоганном Форхгаммером и - более основательно - выполненными Вильгельмом Диттмаром анализами 77 проб морской воды, взятых экспеди­цией на «Челленджере» во время первой кругосветной научно-исследовательской экспедиции. Вероятно, эти 77 проб были по­следними образцами, подвергнутыми анализу на все важнейшие компоненты. Их средняя соленость оказалась весьма близкой к 35‰, при средних отклонениях лишь в ±2‰.

После того как 86 лет тому назад Диттмар сообщил об определении восьми элементов, в морской воде были обнаружены еще 65 элементов. Более ста лет тому назад было установлено, что концентрация элементов, обычно содержащихся в воде в ничтожных количествах, может быть повышена до порога определимости в результате жизнедеятельности морских орга­низмов. Например, йод был обнаружен в водорослях на четыр­надцать лет ранее, чем в морской воде. Впоследствии барий, кобальт, медь, свинец, никель, серебро и цинк были также сначала открыты в морских организмах. Еще позднее изотоп кремния-32, образующийся, по-видимому, в результате бомбардировки аргона космическими лучами, был найден в морских губках.

Рассеянные элементы концентрируются также в результате неорганических процессов, происходящих в океане. В марган­цевых конкрециях (о которых более подробно будет сообщено ниже) могут концентрироваться до уровней определимости такие элементы, как таллий и платина. Образующийся в результате бомбардировки космическими лучами изотоп бериллия-10 был недавно обнаружен в морских глинах, для которых характерна высокая концентрация бериллия. Таким образом, непосредствен­но в морской воде определены 73 элемента (в том числе 13 ред­коземельных), не считая водорода и кислорода (рис. 2).

Хотя в морской воде содержатся практически все элементы Периодической системы, основную массу растворенных в ней солей составляют всего одиннадцать ионов. Это так называемые «главные ионы» океанической воды. К их числу относятся катионы Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ и анионы Cl^- SO₄ ^2-, HCO₃ ^-, Br ^-, F^- , а также борная кислота H₃BO₃ , которые в сумме дают 99.9% все растворенных в воде соединений.

Соленость океана не испытала значительных изменений с тех пор, как этот океан образовался; во всяком случае, в последние двести миллионов лет (пять процентов геологического времени) она оставалась приблизительно постоянной. Состав древних осадков заста­вляет полагать, что отношение содержания натрия и калия в морской воде изменилось от приблизительной первоначальной величины 1:1 до современной-около 28:1. Отношение магния к кальцию возросло за тот же период от 1: 1 (округленно) до 3:1, так как кальций изымался из морской воды организмами, строившими свои раковины из карбоната кальция. Показатель­но, однако, что общий объем ионов каждой из этих пар варьиро­вал значительно меньше, чем их относительные количества.

Если мы посмотрим на состав дождевой воды, когда она до­стигает океана в виде рек, то обнаружим заметно иной состав этих ионов по сравнению с морской водой. Если мы посмотрим на ее состав еще раньше, когда она стекает по скалам полуразру­шенных молодых гор, то это различие окажется еще более ярко выраженным. Этот постоянный привнос воды неморского состава, возможно, в корне изменил бы первичный состав океанов, если бы не действовали корректирующие реакции.

Полный геохимический цикл, строго поддерживающий баланс содержания ионов в море, заставляет предположить, что существует сложный взаимообмен материей между атмосферой, океаном, реками, породами земной коры, донными осадками океанов и, наконец, мантией, происходящий на протяжении десятилетий, столетий и тысячелетий.

Имеются факты, свидетельствующие о том, что соленость океана не испытала значительных изменений с тех пор, как этот океан образовался; во всяком случае, в последние двести миллионов лет (пять процентов геологического времени) она оставалась приблизительно постоянной. Состав древних осадков заставляет полагать, что отношение содержания натрия и калия в морской воде изменилось от приблизительной первоначальной. На практике измерение солености осуществляют иначе, это предписано приведенным определением. Примерно до 1955 года соленость измеряли, определяя количество ионов хлор в единице массы морской воды. Полученное таким образом значение «хлорности» вводили в эмпирическую формулу для рас та солености:

Соленость = 1,80655 х Хлорность

Эта формула исходит из допущения, что относительное содержание различных солей, растворенных в морской воде постоянно. Многочисленные анализы показывают, что, за исключе­нием незначительных отклонений в концентрации кальция, это действительно так. Указанная зависимость остается верной при­мерно до значения +0,02%0 общей солености; этим же значением ограничивается точность метода химического анализа путем титрования.

Величины солености мало изменяются на огромных морских просторах. Известно, что 75% всех вод океана имеют соленость в диапазоне от 34.50 до 35.00 ‰. Например, в Средиземном море она достигает 39%о, а в Красном -41%о. С другой стороны, во внутренних морях, куда впадают многочисленные крупные реки, соленость понижена. Например, в Черном и Балтийском морях соленость варьирует в пределах 3 –23 ‰. %о. Соленость почти половины вод Тихого океана колеблется в пределах от 34.6 до 34.7‰. Поэтому в общем можно считать, что соленость океана постоянна.

Все природные воды по степени солености разбиты на группы: