Круговорот воды в природе

Введение 

      Вода - это самое важное вещество на Земле, без которого не может существовать ни один живой организм и не могут  протекать ни какие биологические, химические реакции, и технологические  процессы. Из нее в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь, по гипотезе Опарина, зародилась в теплом первобытном океане. Вода является одним из наиболее распространенных веществ на Земле и покрывает большую часть поверхности нашей планеты (74%).

        Воде принадлежит важнейшая роль в геологии, истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов. Дело в том, что тело человека почти на 63% - 68% состоит из воды. Практически все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах. В растворах же (преимущественно водных) протекает большинство технологических процессов на предприятиях химической промышленности, в производстве лекарственных препаратов и пищевых продуктов. И в металлургии вода чрезвычайно важна, причём не только для охлаждения. Не случайно гидрометаллургия – извлечение металлов из руд и концентратов с помощью растворов различных реагентов – стала важной отраслью промышленности.

        Вода образует океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы. Общие запасы воды на Земле составляют 1454,3 млн.  куб. км (из них менее 2% относится к пресным водам, а доступны для использования 0,3%).

      От  воды зависит климат планеты. Геофизики  утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё  очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере – в облаках и в виде паров. Без воды обойтись нельзя – это самое важное вещество на Земле.

      Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

      Количество  примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

      Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.

      Геохимический состав океанической воды близок к  составу крови животных и человека (см табл.). 

Сравнительное содержание элементов  в крови человека  и в Мировом  океане, % 

      Водная  среда

      Водная  среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. куб. км - около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. кв. км. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. кв. км. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. куб. км) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру, примерно равную 3,7 ^oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 м.

            Подземные воды бывают солеными, соленоватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30 ^oС). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. куб. км. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. куб. км. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 куб. км, приходится на малоплодородные и северные малозаселенные территории. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду. 

      Физические  свойства воды

      Чистая  вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её также увеличивается. При 4˚С вода имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании её плотность уменьшается.

      Если  бы при понижении температуры  и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась 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 тёплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоёма не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоём 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 слоёв, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлаждённый слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

      Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоёмкостью [4,18 Дж/(гК)], поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.

      В связи с тем, что при плавлении  льда объём, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления  льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.

      Молекула  воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм.

      Две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н,  а остальные четыре электрона представляют собой две неподелённых электронных пары.

      Валентный угол НОН (104°31') близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподелённых электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса.

      Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает её простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

      В твердой воде (лёд) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме,

      в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры  льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноимёнными полюсами. Молекулы образуют слои, причём каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.

      При плавлении льда его структура  разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящие из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие ото льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объём, занимаемый водой, уменьшается, а её плотность возрастает.

      По  мере нагревания воды, обломков структуры  льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению  плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает  над тепловым расширением, так что  плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.

      При нагревании воды часть теплоты затрачивается  на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

      Водородные  связи между молекулами воды полностью  разрываются только при переходе воды в пар. 

Химические  свойства воды

        Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °Ñ водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород. 
 

      Процесс разложения вещества в результате его  нагревания называется термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000°Ñ степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации — водородом и кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000 °Ñ равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

      Вода  — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

      Вода  обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.

      Вода  способна соединяться с рядом  веществ, находящихся при обычных  условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами.