Физические свойства воды

Благодаря особенностям строения и ассоциации молекул, а также формам связи между атомами в молекуле воды и между отдельными молекулами вода как химическое соединение характеризуется своеобразием физических свойств, известных под названием аномалии воды. По основным физическим свойствам химически чистая вода резко отличается от других природных веществ.

1. При нагревании от 0 до 4° С объем воды не увеличивается, а уменьшается; максимальная плотность воды бывает пе в точке замерзания (0°С), а при 4°С (точнее 3,98° С).

2. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается. Объем льда на '/п больше объема жидкой воды, из которой оч образуется. Поэтому разрываются трубы, в которых замерзла вода.

3. Температура замерзания воды с увеличением давления снижается, а не повышается.

4. Удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с удельной теплоемкостью других тел. Очень велики также скрытая теплота плавления и испарения воды.

5. Вода имеет высокую диэлектрическую постоянную: при 0°С-88,3 и при 18° С-81,0. Вследствие высокой диэлектрической постоянной вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости.

6. По сравнению со всеми жидкостями (за исключением ртути) вода обладает самым большим поверхностным натяжением- 75 Мдж (глицерин - 65, аммиак - 42, а все остальные ниже; ртуть - 436), а также высокой степенью смачивания, т. е. способностью «прилипать» к поверхности многих тел, высоко подниматься по тонким капиллярам.

Почти все физико-химические свойства воды - исключение в природе. По физико-химическим свойствам вода как вещество занимает совершенно особое, исключительное место.

Вода - универсальный растворитель. Она способна растворить тысячи различных веществ. Поэтому в океанах и морях, в озерах и реках, в подземных водах в том или ином количестве обнаружены почти все или даже все известные науке химические элементы.

Большая теплоемкость воды также может быть объяснена распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением тепла, то при нагревании воды тепло расходуется не только на повышение температуры, но и на распад ассоциированных молекул.

Молекулы воды очень прочны, но все же очень небольшая их часть диссоциирует:

А

из каждого миллиарда молекул воды при обычной температуре диссоциированы всего две молекулы.

Свободный протон Н+ - ядро атома водорода - не может существовать в свободной среде: он немедленно присоединяется к молекуле воды и образует ион гидроксония Н₃0+. Со строением молекулы воды связаны и исключительные, аномально высокие значения диэлектрической проницаемости воды.

В молекуле воды центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены относительно друг друга (рис. 4). Поэтому у воды необычайно высокий «дипольный момент». Ее молекулы ориентируются определенным образом в магнитном и электрическом поле, которые вода стремится нейтрализовать. В результате два электрических заряда в воде притягиваются или отталкиваются с силой в 80 раз меньшей, чем в вакууме.

Благодаря высокой электрической проницаемости вода - один из сильнейших растворителей. Силы, связывающие между собой атомы или молекулы других

веществ, при погружении Рис. 4. Дипольнын момент в молекуле ' г

_ВОд_Ы. этих веществ в воду осла-

бевают в десятки и сотни раз, и вещество начинает растворяться, т. е. распадаться на отдельные молекулы или ионы. Процесс этот, в зависимости от прочности связей, протекает с разной скоростью - от бурной, почти мгновенной реакции некоторых солей до длительного разрушения глубинных кристаллических пород. Он играет огромную роль в природе.

В чистом виде вода прозрачна, бесцветна и не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкусовые особенности воды обусловливаются составом содержащихся в ней примесей. В зависимости от происхождения вода содержит различные растворенные, а иногда и суспендированные вещества. Грунтовые воды и воды источников содержат составные части пород, по которым они протекают. В воду поверхностных водоемов могут попадать примеси органического происхождения: остатки растений; микроорганизмы; отходы промышленных предприятий. В результате в воде всегда содержатся растворенные газы, главным образом кислород и углекислый газ, минеральные соли, органические соединения.

Состав минеральных солей зависит от химического состава слоев почвы, по которым вода протекает, и от их растворимости. Из малорастворимых солей в воде наиболее часто встречаются карбонаты кальция (СаС0₃), магния (MgC0₃), железа (FeC0₃), сульфата кальция (CaSO,f), соли алюминия и силикаты. При 25° С произведение растворимости (произведение активности катиона на активность аниона) карбоната кальция 4,8-Ю^-9, карбоната магния Ы0^-5, карбоната железа 2,5-Ю^-11, сульфата кальция 6,1-Ю^-5 грамм-ионов на литр. Вследствие малой растворимости содержание этих солей в воде невелико.

В большем количестве в воде могут содержаться соли, имеющие относительно высокую растворимость: карбонат натрия (Ма₂СОз), бикарбонаты кальция [Са(НС0₃)₂] и магния | Mg(HC0₃)₂], хлориды кальция (СаС1₂), магния (MgCl₂) и натрия (NaCl), сульфаты натрия (Na₂S04) и магния (MgS0₄). Соли кальция и магния обусловливают жесткость воды. По ГОСТ 6055-51 1 мг-экв!л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л Са²+ пли 12,16 мг/л Mg²⁺. В зависимости от концентрации солей жесткости вода классифицируется следующим образом.