Крок до ВНЗ. Географія. Довідник
Фізико-хімічні властивості води
Вода — рідина без запаху, смаку і кольору, густиною 1000 кг/м3 за температури 3,98 °С, при 0 °С перетворюється на лід, при 100 °С — на пару. Вода має просту хімічну формулу Н2O, тобто складається з двох атомів водню й одного атому кисню. Маса хімічно чистої води містить 11,19 % водню та 88,81 % кисню. Крім звичайних атомів кисню з атомною масою 16 та водню з атомною масою 1, у природі існує шість ізотопних форм кисню (14O, 15O,...19O) і три — водню (1Н — протій, 2Н — дейтерій, 3Н — тритій). Взаємодіючи між собою, вони утворюють молекули важкої води. Густина важкої води складу 2Н216O при 4 °С дорівнює 1056 кг/м3.
Дослідження молекули води показали, що атоми кисню та водню розміщені в кутах рівнобедреного трикутника, на вершині якого знаходиться атом кисню. Кут при вершині дорівнює приблизно 105°, а сторона трикутника має довжину 10-10 м. Молекула води має два позитивні і два негативні заряди, які розташовані на різних вершинах тетраедра. Таке розміщення зарядів визначає її властивість розчиняти органічні й неорганічні речовини, утворювати електроліти і гази. Зближуючись різнойменними полюсами, молекули води утворюють шароподібну структуру, в якій існують численні порожнини, тому густина льоду менша від одиниці, і він утримується на поверхні води.
У природних водах розчинені майже всі відомі на Землі хімічні елементи. Хімічний склад природних вод умовно поділяють на сім груп:
Крім наведених, до якісних характеристик складу природних вод відносять твердість, лужність, окиснюваність, агресивність, які зумовлені сукупністю кількох компонентів складу води. Гази та органічні сполуки присутні у вигляді молекул, солі — у вигляді йонів та частково в комплексі, а мінеральні та органічні сполуки — у вигляді колоїдів.
Якість води — це сукупність нормативних хімічних і біологічних характеристик, а також фізичних властивостей, що визначають придатність води для певного виду використання. З екологічного погляду якість поверхневих вод визначається сукупністю гідрологічних, бактеріологічних, гідробіологічних характеристик та фізичних властивостей, які створюють можливість розвитку і функціонування річкової чи озерної екосистеми.
Річки та водойми вважаються забрудненими, якщо показники складу та властивостей води в них змінилися під прямим чи непрямим впливом господарської діяльності і непридатні для водовикористання або водоспоживання.
Критерієм забрудненості води є погіршення її якості внаслідок зміни органолептичних властивостей і появи речовин, шкідливих для людей, тварин, птахів, риб, залежно від виду водокористування або водоспоживання, а також підвищення температури води, яке змінює умови для нормальної життєдіяльності водних організмів. Критерії якості поверхневих вод, за якими роблять висновок про рівень забруднення водних об’єктів, поділяються на три групи:
1) фізичні: запах, смак, колір, температура, прозорість, мутність, нафтові плівки тощо;
2) хімічні — мінеральні й органічні речовини, розчинені гази, забруднюючі речовини тощо;
3) гідробіологічні — фітопланктон, зоопланктон, вищі водні рослини, інтенсивність дихання та фотосинтез.
Вода — найважливіша середовищеутворююча речовина, яка завдяки особливим властивостям стала середовищем зосередження життя на Землі. Найбільше гідрологічне та екологічне значення мають такі фізичні властивості води, як густина, питома теплоємність, питома теплота плавлення та випаровування, в’язкість, поверхневий натяг, мутність, прозорість, колір тощо.
Вода може перебувати в трьох агрегатних станах — рідкому, твердому та у вигляді пари. Перехід з одного стану в інший відбувається при зміні температури та тиску. Вода, що перебуває в стані пари, складається головним чином з простих молекул — гідролей Н2O. У рідкому стані вода містить суміш простих молекул гідролей, подвійних дигідролей (Н2O)2 та потрійних молекул тригідролей (Н2O)3. Перехід води з рідкого або твердого стану в пару та в зворотному напрямку можливий за необхідного тиску водяної пари над водою чи льодом, залежно від температури.
Стан води
ОА — крива пароутворення;
ОС — крива плавлення;
ОВ — крива сублімації;
точка О — потрійна точка води.
Точка О на малюнку називається потрійною точкою води. За таких умов — тиск 610 Па (4,6 мм) і температурі 273,16 К (0,0075 °С) — одночасно можуть знаходитись у рівновазі всі три фази.
Густина води визначається масою води в одиниці об’єму й залежить від температури, атмосферного тиску, наявності розчинених солей та вище розташованих мас води. Найбільша густина хімічно чистої води за температури 3,98 °С дорівнює 999,97 кг/м3 ≈ 1000 кг/м3. Густина води за температури 0 °С, коли вода ще не перетворилась на лід, становить 998,87 кг/м3. При переході у стан льоду — зменшується до 916,7 кг/м3. При підвищенні температури води вище 4 °С густина падає, а за температури 30 °С становить 995,67 кг/м3.
Питома теплоємність води — це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 кг дистильованої води на 1 °С. Питома теплоємність води мало залежить від температури, але зі збільшенням мінералізації теплоємність води зменшується.
Питома теплота кристалізації води — це кількість теплоти, яка виділяється при кристалізації 1 кг води при сталій температурі.
Питома теплота випаровування води — це кількість теплоти, необхідна для переходу 1 кг води з рідкого стану в пару без зміни температури за нормального атмосферного тиску.
В’язкість води — це фізична властивість, яка зумовлює рухливість водних мас. Одиницею в’язкості є паскаль на секунду (Па • с). В’язкість води не тільки зумовлює рухливість водних мас, але й полегшує плавання гідробіонтів. Унаслідок сил поверхневого натягу на поверхні води утворюється плівка, яка є своєрідною опорою для деяких водних організмів. Поверхневий натяг значно знижується в умовах забруднення води органічними, особливо поверхнево-активними речовинами, а також при «цвітінні» води і заростанні водойм рослинами.
Внутрішньомолекулярні сили проявляються на поверхні у вигляді сил прилипання. Вони зумовлюють поверхневий натяг. На поверхні міжмолекулярні сили прагнуть втягнути всі молекули всередину рідини і зменшити діючу поверхню, внаслідок чого виникає сила поверхневого натягу до поверхні води.
Прозорість води визначається молекулярною структурою, концентрацією розчинених органічних, переважно забарвлених речовин, завислих наносів та планктонних організмів. Прозорість залежить також від сезону року, глибини водойми тощо.
Колір природних вод зумовлений поєднанням властивостей водного середовища, берегів водойми та метеорологічними умовами. Блакитний колір води — це її власний колір, виявляється лише у воді деяких чистих гірських озер. Природні води суходолу можуть мати зелене, жовте, буре і чорне забарвлення. Іноді колір води змінюється внаслідок масового розвитку планктонних організмів — «цвітіння».
Вода добре проводить звукові та ультразвукові хвилі — акустичні властивості води, чому сприяє її висока густина та невелике стискання. Швидкість звуку залежить від температури, солоності, тиску, вмісту газу, а також від завислих домішок органічного і мінерального походження.
Електропровідність води залежить від домішок — аміаку, вуглекислоти, твердих розчинених речовин. При контакті води з повітрям її питома електропровідність внаслідок розчинення СO2 збільшується вдвічі.
Аномалії води — властивості води, специфічні у порівнянні з іншими рідинами, що пов’язано зі структурою води, будовою її молекули та характером молекулярної взаємодії.
1. Густина води при збільшенні температури від 0 °С до 100 °С має максимум за температури +4 °С, у той час як у інших рідин вона завжди зменшується.
2. При замерзанні вода розширюється, а не стискається, як усі інші рідини. Густина льоду при 0 °С на 10 % менша від густини води за тієї самої температури.
3. Температура замерзання (0 °С) і кипіння (100 °С) аномальна у порівнянні з температурою гідридів, що входять до однакової з киснем групи періодичної системи Д. І. Менделєєва: сірки (H2S), селену (H2Se), телуру (Н2Те). Відповідно до температури замерзання і кипіння цих гідридів треба сподіватись, що вода замерзає при -90 °С, а кипить при -70 °С.
4. Температура замерзання води при збільшенні тиску знижується, а не підвищується. Тому у водоймах на великих глибинах знаходиться рідка вода за температури, значно нижчої за 0 °С.
5. Вода може знаходитись у рідкому стані за температури, значно нижчої від температури плавлення льоду, — переохолодження води.
6. Питома теплоємність води у 5-10 разів більша за питому теплоємність інших речовин. Питома теплоємність води зменшується при збільшенні температури від 0 °С до 37 °С, тоді як у інших речовин (крім ртуті) вона збільшується.
7. Питома теплота плавлення льоду надзвичайно висока — 333 • 103 Дж/кг. При зниженні температури питома теплота плавлення не збільшується, а зменшується (на 2,1 Дж на 1 °С).
8. В’язкість води з підвищенням тиску зменшується, а не збільшується, як у інших рідин.
9. Діелектрична стала води надзвичайно висока — 81, тоді як у інших речовин вона змінюється від 2 до 8. Тому вода має велику розчинювальну здатність.
10. Вода має великий поверхневий натяг (0,0727 Н/м2 при 20 °С), більший, ніж у інших рідин, крім ртуті (0,465 Н/м2).
