Строение молекулы воды

 

Различные состояния воды в горных породах

 
Проф. А.А. Крубер "Общее землеведение" 
 
Государственно учебно-педагогическое издательство, Москва - Ленинград, 1938 г. 
OCR Detskiysad.Ru  
Публикуется с небольшими сокращениями 
 
 
Вода в горных породах может быть в различных состояниях в парообразном, гигроскопическом, пленочном, капиллярном, гравитационном и твердом (лед). 
Парообразная вода содержится в воздухе, находящемся в порах и пустотах породы. 
Если влажность породы больше максимальной гигроскопической, пары насыщают пространство, и их упругость Е определяется температурой. Чем больше нагрет слой, тем выше упругость находящегося в нем водяного пара. Водяной пар перемещается из мест с большей упругостью в места с меньшей, т. е. из теплых слоев в более холодные. 
Гигроскопическая вода состоит из ее молекул, которые удерживаются породой в силу сцепления между частицами породы и воды. Содержание гигроскопической воды изменяется в зависимости от влажности окружающего воздуха и температуры породы. С понижением температуры гигроскопичность повышается. По Родевальду и А. Ф. Лебедеву, гигроскопическая вода охватывает поверхности зерен слоем в одну молекулу, образуя одномолекулярный слой. В сухом воздухе из породы выделяется часть гигроскопической воды, во влажном - количество ее увеличивается. Гигроскопичность зависит также от величины частиц породы: мелкозернистые породы обладают большей гигроскопичностью, чем крупнозернистые, так как в первом случае общая поверхность всех частиц больше, чем во втором. Гигроскопическая вода может перемещаться в породе лишь в тея случаях, если она переходит в парообразное состояние. 
Пленочная вода, как и гигроскопическая, удерживается на поверхности частиц смоченной породы в виде пленки. 
Максимальная толщина пленки равна радиусу действия молекулярных сил и не зависит от диаметра зерна. Пленочная вода передвигается с более толстых пленок на более тонкие. В сухую погоду, когда в верхних слоях вследствие испарения пленки высыхают и становятся тоньше, пленочное движение направлено вверх. После дождя направление пленочного движения обратно. 
Капиллярная вода заполняет промежутки (капилляры) в породе и удерживается в них поверхностным натяжением. В пористых породах капиллярная вода поднимается по капиллярам на некоторую высоту над зеркалом грунтовых вод. 
Если же диаметр поры меньше двух радиусов действия молекулярных сил. то все пространство поры будет занято только пленочной водой, и порода не может содержать гравитационной воды, т. е. водонепроницаемой.  
По степени водопроницаемости все горные породы разделяются яа группы: 1) водопроницаемые, 2) полупроницаемые и 3) непроницаемые, или водоупорные. К первым относятся все осадочные крупнозернистые породы, несцементированные, как, например, пески, галечник, гравий, а также различные трещиноватые породы. К полупроницаемым породам можно отнести лёсс, глинистые пески, рыхлые песчаники п др. К водоупорным относят все массивно-кристаллические и осадочные нетрещиноватые породы, а из обломочных - глины. 
Если воды замещают все промежутки в породе, как капиллярные, так и некапиллярные, то порода находится в состоянии полного насыщения водой. 
Влагоемкими породами принято называть такие, которые могут насыщаться водой. Очень влагоемкими породами являются торф, суглинки, глины; невлагоемкими - массивно-кристаллические и необломочные осадочные породы. Но даже самые плотные породы в естественных условиях залегания имеют так называемую естественную, или горную, влажность, т. е. содержат некоторое количество гигроскопической воды. 
Очевидно, что в обломочных породах влагоемкость определяется пористостью. Пористостью называют выраженное в процентах отношение объема пор к общему объему породы. Например, если пористость p = 30%, то это значит, что из общего объема породы 70% занято зернами, а 30% - порами. Средняя пористость песка около 40%, а глины около 50%, поэтому глина более влагоемка. 
В рыхлых породах вследствие их пористости вода, как было сказано, может подниматься по сообщающимся порам. Это явление называется капиллярностью. Величина поднятия в рыхлых зернистых породах зависит от размеров зерна, однородности этих зерен и от структуры породы. По Гильгарду, в капиллярном поднятии нужно различать высоту и скорость поднятия.

Контекстная рекламаБегун 

Физические свойства

Вода обладает рядом необычных особенностей:

• При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
• При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
• Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг ^[1]), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
• Высокая теплоёмкость жидкой воды.
• Высокая вязкость.
• Высокое поверхностное натяжение.
• Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны  с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Капля, ударяющаяся о поверхность  воды

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в  межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных  веществ в воде.^[2] Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов HO^- составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Агрегатные состояния

Основные статьи: Водяной пар, Лёд

типы снежинок

По состоянию различают:

• Твёрдое — лёд
• Жидкое — вода
• Газообразное — водяной пар

При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре  в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C. При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При росте давления температура  кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Изотопные модификации воды

И кислород, и водород имеют природные  и искусственные изотопы. В зависимости  от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• Лёгкая вода (просто вода)
• Тяжёлая вода (дейтериевая)
• Сверхтяжёлая вода(тритиевая).

Химические свойства

Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pK_a ≈ ок. 16.

Сама по себе вода относительно инертна  в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода в природе

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде. Роль воды в клетке — см. статью

Атмосферные осадки

Основная статья: Атмосферные осадки

Осадки согласно направлению^{[источник не указан 75 дней]}

«Вертикальные» осадки	«Горизонтальные» осадки	Свободно-парящие структуры
Дождь	Роса	Облака
Дождь со снегом	Иней	Туман
Изморось	Атмосферное оледенение	Морская пена
Переохлаждённая морось	Гололёд
Снег
Снежная крупа
Снежные зерна
Ледяная крупа
Ледяной дождь
Град
Ледяные кристаллы

Осадки согласно состоянию^{[источник не указан 75 дней]}

Жидкие осадки	Твёрдые осадки
Дождь	Снег
Дождь со снегом	Снежная крупа
Изморось	Снежные зерна
Переохлаждённая морось	Ледяная крупа
Роса	Ледяной дождь
	Град
	Ледяные кристаллы
	Иней
	Атмосферное оледенение
	Гололёд

 

Виды воды

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и в свою очередь приобретать самые разные формы, которые зачастую соседствуют друг с другом. Водный пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные же реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни» её нередко подразделяют на типы.

Характеристики вод^{[источник не указан 75 дней]}

По особенностям происхождения, состава  или применения, выделяют, в числе  прочего:

• Мягкая вода и жёсткая вода — по содержанию катионов кальция и магния
• Подземные воды
• Талая вода
• Пресная вода
• Морская вода
• Солоноватая вода (en:Brackish water)
• Минеральная вода
• Дождевая вода
• Питьевая вода, Водопроводная вода
• Тяжёлая вода, дейтериевая и тритиевая
• Дистиллированная вода и деионизированная вода
• Сточные воды
• Ливневая вода или поверхностные воды
• По изотопам молекулы:
• Лёгкая вода (просто вода)
• Тяжёлая вода (дейтериевая)
• Сверхтяжёлая вода(тритиевая)
• Выдуманная вода (обычно со сказочными свойствами)
• Мёртвая вода — вид воды из сказок
• Живая вода — вид воды из сказок
• Святая вода — особый вид воды согласно религиозным учениям
• Поливода
• Структурированная вода — термин, применяемый в различных неакадемических теориях.