Головна |
молекулярна структура
Вода - (оксид водню) Н20, молекулярна маса 18,016, найпростіше ус
стійкості з'єднання водню з киснем. Рідина без запаху, смаку і кольору.
Вода - одне з найпоширеніших на Землі сполук. Молекули води виявлені в міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет,
більшості планет сонячної системи і їх супутників. Кількість води на поверхні Землі оцінюється в 1,39 -1018 т, велика частина її міститься в морях і океанах. Кількість доступних для використання прісних вод в ре- ках, озерах, болотах і водосховищах становить близько 11 - 1013 т. Маса льодовиків Антарктики, Антарктиди і високогірних районів 2,4 - 1016т, при- мірно стільки ж є підземних вод, причому, тільки невелика їх частина - прісні. У глибинних шарах Землі міститься значно більше (мабуть, не менше, ніж на порядок) води, ніж на поверхні. В атмосфері знаходиться близько 1,3 - 1013 т води. Вода входить до складу багатьох мінералів і гірських порід (глини, гіпс і ін.), Присутній в грунті, є обов'язковим компонентом всіх живих організмів.
Ізотопний склад. Існує 9 стійких різновидів води. з-
16 1 18
тримання їх у прісній воді в середньому наступне (\%): 1Н2
Про - 99,73; Н2 O -
17 1
2 16
0,2; 1Н2
Про - 0,04;
Н Н О - 0,03; інші п'ять ізотопних різновидів
присутні у воді в незначних кількостях. Крім стабільних ізотопних різновидів, у воді міститься невелика кількість радіоактивного 3Н2 (або Т2О). Ізотопний склад природних вод різного походження варьіру- ється. Особливо не постійно ставлення 1Н / 2Н в прісних водах - в середньому
6900, в морській воді - 5500, в льодах - 5500-9000.
Будова молекули і фізичні властивості. Атом водню і киснем та в молекулі води розташовані в кутах рівнобедреного трикутника з дли- ної зв'язку 0,0957 нм; валентний кут Н-О-Н 104,5 ° (рис.1; дипольний момент
6,17 - 10 -30 Кл - м; поляризованість молекули 1,45 - 10 -3 м3; середній квадру- польний момент - 1,87 - 10-41 Кл-м2, енергія іонізації 12,6 еВ, спорідненість до протону 7,1 еВ. При взаємодії молекули води з іншими атомами, молі-
куламі і іонами, в т.ч. з іншими молекулами води в конденсованих фазах,
ці параметри змінюються.
Мал. 1. Будова молекули води
Хімічний склад води. У водних розчинах переважна большин-
|
ня агрегатного стану води називають фазовими переходами (рис. 3).
Мал. 3. Діаграма стояння води або фазову діаграму
У ній по осі абсцис відкладається температура, а по осі ординат - тис-
ня. Діаграма являє собою три криві:
Крива АВ - крива випаровування - висловлює залежність тиску пари рідкої води від температури (або, навпаки, являє залежність тем -температуру кипіння води від тиску). Іншими словами, ця лінія відповідає двофазному рівноваги (рідка вода) D (пар), і число ступенів свободи, розраховане за правилом фаз, становить С = 3 - 2 = 1. Така рівновага називаютьсявають моноваріантним. Це означає, що для повного опису системи дос- таточно визначити тільки одну змінну - або температуру, або тиску ня, тому що для даної температури існує тільки одне рівноважний тиску ня і для даного тиску - тільки одна рівноважна температура.
При тисках і температурах, відповідних точкам нижче лінії АВ,
рідина буде повністю випаровуватися, і ця область є областю пара.
Для опису системи в даній однофазної області необхідні дві не-
сімие змінні (С = 3 - 1 = 2): температура і тиск.
При тисках і температурах, відповідних точкам вище лінії АВ, пар повністю Сконденсована в рідину (С = 2). Верхня межа кривої випаровування AB знаходиться в точці В, яка називається критичною точкою
(Для води 374o С і 218 атм). Вище цієї температури фази рідини і пара стають невиразними (зникає чітка межфазная межа рідина / пар), тому Ф = 1.
Лінія АС - ця крива сублімації льоду (іноді її називають лінією суб
лімаціі), що відображає залежність тиску водяної пари над льодом від температури. Ця лінія відповідає моноваріантному рівноваги (лід) D
(Пар) (С = 1). Вище лінії АС лежить область льоду, нижче - область пара.
Лінія А D - крива плавлення, висловлює залежність температури плавлення льоду від тиску і відповідає моноваріантному рівноваги (лід) D (рідка вода). Для більшості речовин лінія АD відхиляється від вер- цокали вправо, але поведінка води аномально: рідка вода займає менший обсяг, ніж лід. На підставі принципу Ле Шательє можна передбачити, що підвищення тиску викликатиме зрушення рівноваги в бік утворення рідини, т. Е. Точка замерзання буде знижуватися.
Дослідження, проведені Бріджменом для визначення ходу кривої плавлення льоду при високому тиску, показали, що існує сім различ-
них кристалічних модифікацій льоду, кожна з яких, за винятком першої, щільніше води. Таким чином, верхня межа лінії AD - точка D, де в рівновазі знаходяться лід I (звичайний лід), лід III і рідка вода. Ця точка знаходиться при -220С і 2450 атм.
Потрійна точка води (точка, що відображає рівновагу трьох фаз - рідині, льоду і пари) під час відсутності повітря знаходиться при 0,0100o С і 4,58 мм рт.ст. Число ступенів свободи С = 3-3 = 0 і така рівновага називають нонваріантним.
У присутності повітря три фази знаходяться в рівновазі при 1 атм і при
0o С. Зниження потрійний точки на повітрі викликано наступним причинами:
1. розчинність повітря в рідкій воді при 1 атм, що призводить до зни-
жению потрійний точки на 0,0024o С;
2. збільшенням тиску від 4,58 мм рт.ст. до 1 атм, яке знижує потрійну точку ще на 0,0075o С.
Питома теплота фазових переходів води дуже велика. У потрійний точ-
ке вода одночасно перебуває в усіх трьох агрегатних станах.
Діаграма стану води ілюструє дві її аномалії, які надають вирішальний вплив не тільки на поведінку води на Землі, а й природні ус
ловия планети в цілому. У порівнянні з речовинами, що представляють собою з'єднання водню з елементами, що знаходяться в періодичній таблиці Менделєєва, температура замерзання і кипіння води надзвичайно висока.
Аномально високі значення температури замерзання і кипіння предопреде- ляють можливість існування води на планеті як в твердому, так і рідкому стані і служать визначальними умовами основних гідрологічних і
інших природних процесів на Землі.
Щільність води. Щільність - одна з найважливіших фізичних характе- ристик будь-якої речовини. Вона являє собою масу однорідного речовини, що припадає на одиницю об'єму і вимірюється в кг / м3. Щільність води є- ється функцією температури, солоності, тиску, колоїдних суспензій.
Вода - єдина речовина, у якого в твердому стані густина менше, ніж в рідкому. При нормальному тиску щільність рідкої во- ди в діапазоні від 0 до 4 ° С поводиться аномально, збільшуючись зі зростанням температури від 999,87 до 1000 кг / м3. Тому при охолодженні від 4 до 0 ° С, т. Е. Безпосередньо перед замерзанням, що прохолоджується вода не опускається вниз, що зберігає на глибинах в прісноводних водоймах позитивну температуру і оберігає воду від замерзання, а водні організми від загибелі.
При подальшому збільшенні температури вище 4 ° С щільність води, як і у всіх речовин, зменшується. Щільність льоду помітно менше рідкої води, що також аномально. При температурі меншій 0 ° С зі зменшенням температури щільність падає і складає 920 кг / м3 при температурі - 20 ° С. Це призводить до того, що лід, як речовина більш легке, ніж вода спливає і екранізує водну товщу, захищаючи її від охолодження. Вплив солоності на щільність також дуже велике. Щільність морської води може досягати 1025-
1033 кг / м3. Морська вода при солоності 35 ‰ і нормальному тиску має при 0 і 20 ° С щільність 1028,17 і 1024,78 кг / м3 відповідно. температура
замерзання води при збільшенні солоності на кожні 10 ‰ зменшується при-
близно на 0,54 ° С, тому вода замерзає при мінусовій температурі
ре, що становить, наприклад, -1,9 ° С при солоності 35 ‰.
Фізичні аномалії води. Характерні значення температури води. Температура найбільшої щільності дистильованої води при нор мальному тиску 1,01 - · 105 Па звичайно приймається рівної 4 ° С, хоча точне її значення 3,98 ° С.
Потрібно також мати на увазі, що дистильованої води в природі немає, а вода так званих прісних озер і річок завжди трохи мінералізована. Наприклад, концентрація солей води оз. Байкал становить 0,0697кг / м3. Тому для природних озер і штучних водоймищ температура найбільшої щільності води завжди трохи менше 4 ° С.
Значення коефіцієнта a для дистильованої води, за лабораторними даними, так само 0,0079 ° С / Па.
Температура кристалізації (замерзання) дистильованої води при нормальному атмосферному тиску приймається рівною 0 ° С і служить на-
вим значенням температурної шкали термометра Цельсія.
Процес замерзання прісної і солоної води відбувається стрибком з виді- ленням теплоти кристалізації. Зворотний процес, т. Е. Танення льоду, відбувалосядит з поглинанням того ж кількості теплоти, але без стрибка, поступово.
Переохолодження води в природі, т. Е. Зниження її температури замер-
пізнання по відношенню до 0 ° С, спостерігається дуже часто. У річкових умовах пере-
охолодження поверхневого шару води становить навіть порядку - 1 ° С.
Переохолоджена на поверхні річки вода переноситься в глибину тур-булентним перебігом і в сприятливих умовах утворює внутрішньоводного (шу га) і донний лід. При цьому ступінь переохолодження глибинних вод значною але менше, ніж поверхневих. Переохолодження спостерігається також в озерах і
морях, де воно вперше і було виявлено ще в XVIII в. у вигляді так званою
мого якірного льоду на опущених на дно якорях.
У лабораторних умовах в капілярних трубках дистильовану во-
ду вдалося переохолодити до температури - 33 ° С.
До важливих особливостей зміни агрегатного стану води відносять- ся велика витрата тепла на плавлення, випаровування, сублімацію і велике ви- розподіл тепла при зворотних переходах, аномально низька температура замер- пізнання і висока температура кипіння. Для води характерні наступні фізичним етичні аномалії і властивості:
- Висока в порівнянні з іншими речовинами температура плавлення,
тому вода на Землі може знаходитися в твердому стані (льодовики, сніг) і рідкому (річки, озера, підземні води);
- Щільність льоду значно менше щільності води, завдяки цьому
при замерзанні водойми лід екранує його від подальшого охолодження (лід має невелику теплоємність);
- При збільшенні температури від 0 до 4 ° С щільність також увелічівает-
ся, тому при охолодженні поверхневого шару до 4 ° С опускання і переме-
Шивані шарів води припиняється;
- Питома теплота льодоутворення (кількість теплоти витрачається при перетворенні одиниці маси льоду при температурі плавлення і нормаль-
ном атмосферному тиску в воду) дуже велика, тому процес ледообразо-
вання йде сповільнено;
- Питома теплота пароутворення (кількість теплоти, необхідне для перетворення одиниці маси води в пар) дуже велика, тому процес
пароутворення і йде сповільнено.
Теплові характеристики води. Питома теплоємність (кількість теплоти, необхідне для нагрівання одиниці маси води на один градус)
дуже велика, тому вода повільно нагрівається і повільно охолоджується, тим самим регулює теплові процеси на Землі.
Теплоємність - це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагрівання
вання його на 1 ° С. Визначається вона за формулою:
C = dQ / dt або C = Q / ?t,
де dQ - нескінченно мала кількість теплоти, що викликало нескінченно
мале підвищення температури dt; ?t = t2 - t1 - зміна температури тіла, що відбувається в результаті підведення до нього кількості теплоти Q; t1 і t2 - тем- пература тіла до і після підведення до нього теплоти.
Характеристикою теплоємності речовини прийнята питома теплоємність -
відношення теплоємності тіла до його маси:
c = C / m або c = Q / (m ?t).
Питома теплоємність води - це кількість теплоти, необхідне для нагрівання 1 кг дистильованої води на 1 ° С в межах 14,5 - 15,5 ° С.
Питома теплоємність води слабо залежить від температури, тому в практи
чеських розрахунках її значення може бути прийнято постійним, рівним
4,2 кДж / (кг · ° С).
Питома теплоємність води зменшується з підвищенням температури. Цим властивістю, а також досить великим значенням питомої теплоємності, вода відрізняється від всіх інших речовин, крім ртуті.
Зі збільшенням мінералізації води теплоємність її зменшується. Для морської води при малій солоності теплоємність зменшується приблизно на
0,006кДж / (кг · ° С) на 1 ‰.
Перехід води з рідкого стану в тверде (кристалічна - лід) супроводжується виділенням теплоти кристалізації Qкр., А зворотний йому процес - танення льоду - поглинанням теплоти плавлення Qпл .. Ця здатність речовини визначається питомою теплотою кристалізації (плавлення):
Lкр. = Qкр. / Mілі Lпл. = Qпл. / M,
де m - маса твердіє (танучого) тіла.
Питома теплота кристалізації води Lкр. - Це кількість теплоти, ко- лось виділяється при кристалізації 1 кг води при постійній температурі. Для дистильованої води вона дорівнює 33,3 · 104 Дж / кг.
Перехід води з рідкого стану в газоподібний (пар) супроводжується поглинанням теплоти випаровування Qи. Джерелом її зазвичай служить внутрен- ня енергія самої рідини, тому при випаровуванні вона охолоджується. Обрат- ний випаровуванню процес - конденсація пара - супроводжується виділенням про- плоти Qк, рівній теплоті випаровування. Ця здатність речовини визначається питомою теплотою випаровування (конденсації):
Lі = Qи / m або Lк = Qк / m.
Отже, питома теплота випаровування води - це кількість теплоти, необ ходимое, щоб перевести 1 кг води в пароподібний стан при постійній температурі. Питома теплота випаровування води залежить від температури, при якій випаровується вода. Ця залежність визначається наступною емпіричних ської формулою:
Lі = (25 - 0,024tп) 105,
де 25 · 105 Дж / кг - питома теплота випаровування при температурі поверхні
ності води, що дорівнює 0 ° С;
tп - температура поверхні води, що випаровується.
Температуропроводності - фізичний параметр речовини і, в приватно
сти, води, що сприяє передачі теплоти таким чином, що температура в кожній точці прагне до відповідного в даний момент установівше-
муся станом. Характеристикою температуропроводности є коефі-
циент температуропроводности a = ? / (c?), де ? - коефіцієнт теплопровідності. Коефіцієнт температуропровідності води слабо залежить від температури: при температурі, яка дорівнює 0 і 10 ° С, a відповідно дорівнює 0,485 · 10-3 і
0,504 · 10-3 м2ч.
Зазначені вище теплові показники води аномальні в порівнянні з аналогічними характеристиками інших речовин. Ця обставина зобов'язане її структурі, обумовленої водневими зв'язками між молекулами, харак- теризують більшою міцністю, ніж міжмолекулярні взаємодії. Наприклад, велика теплоємність води може бути пояснена тільки розпадом асоційованих молекул при нагріванні. Так як розпад цих молекул сопро- вождается поглинанням енергії, то при нагріванні води теплота витрачається не тільки на підвищення температури, але і на розпад асоційованих молекул.
В'язкість, поверхневий натяг. В'язкість досить мала, поет-
му вода є дуже текучим речовиною, вона здатна переносити различ-
об'єк.
Поверхневий натяг води досить велика, тому утворюється меніск - капілярні сили, завдяки яким рослини здатні брати воду
з грунту. Другим наслідком є ??те, що водяні краплі мають біль-
шої ударною силою, і є однією з причин виникнення ерозії.
В'язкість є фізична властивість речовини (рідини, газу, твердого тіла) чинити опір переміщенню однієї його частини щодо іншої. В'язкість є одним з головних властивостей води. Розрізняють обсяг- ву і тангенціальну в'язкість. Під об'ємної в'язкістю розуміють здатність рідини сприймати розтягуючі зусилля. Цей вид в'язкості води проявляється, наприклад, при поширенні в ній звукових і особливо ульт- развукових хвиль. Тангенціальна в'язкість характеризує здатність рідині чинити опір сдвигающим зусиллям.
Дослідження показують, що опір рідини розтягують і сдвигающим зусиллям проявляється лише при різних швидкостях руху
одного шару рідини по іншому, т. е. при виникненні кутових швидкостей зсуву частинок. З боку шару, що рухається швидше, на шар, що рухається повільніше, діє прискорювальна сила. Навпаки, з боку шару, двіжуще-
гося повільніше, на шар, що рухається швидше, діє гальмує, задер- жива сила. Ці сили, що носять назву сил внутрішнього тертя, спрямованих лени по дотичній до поверхні шарів.
Поверхневий натяг води виникає на поверхні стикання її з повітрям, твердим тілом або іншою рідиною. Вона зумовлена ??силами тяжіння між молекулами. Усередині води сили тяжіння між молеку-
лами взаємно компенсуються, а на молекули, що знаходяться поблизу поверхнею сти, діє нескомпенсованих результуюча сила, спрямована всередину від її поверхні. Поверхневий натяг прагне зменшити поверхню рідини до мінімуму. Тому краплі рідини мають сферіче-
ську форму, а в невагомості - форму кульок (поверхню сфери є найменшою з усіх геометричних фігур рівного зі сферою обсягу).
Змочування. При зіткненні твердого тіла з водою змочування
спостерігається в тому випадку, коли взаємодія між їх молекулами сильніше взаємодії між молекулами самої води. В цьому випадку вода буде прагнути збільшити поверхню зіткнення і розтечеться по твердому тілу. Коли ж взаємодія між молекулами твердого тіла і молекулами
дотичної з ним води більш слабке, ніж між молекулами самої во- ди, вода буде прагнути скоротити поверхню зіткнення з твердим тілом. По відношенню до твердих тіл вода має властивість повного і час- тичного змочування і повного несмачіванія.
Явище змочування має велике значення при вивченні передвіже-
ня вологи по капілярах в ґрунтах і в снігу. Поверхня смачивающей рідини, що знаходиться в вузьких капілярах, приймає увігнуту форму.
Електричні властивості води. Питомий електричний опір води ?е істотно залежить від температури. Мінералізація води різко по- ніжа її питомий електричний опір. Так, у ладожской води воно становить 2,6 · 104 (Ом-м) -1, а у морської - близько 4-6 (Ом-м) -1. За наведених ним значенням питомої електричного опору можемо судити, що чиста вода є поганим провідником електрики. Електрична про- провідність води може служити показником забруднення, як частини водойми так і його в цілому.
Вода є добрим розчинником. Характеристикою рідини як розчинника є дипольний момент. У води він дуже високий (6,13 · 10
29 Кл · м), що обумовлює її властивості хорошого розчинника речовин, молі-
кули яких теж полярні. Однак для порівняння здатності одних речовин розчиняти в собі інші більш зручним, ніж дипольний момент, виявилося поня- нення діелектричної проникності.
Діелектрична проникність ? показує, у скільки разів напруженість поля з даними речовиною нижче, ніж у вакуумі. Діелектрична Проні цаємость води при 20 ° С ? = 81.
Здатність води розчиняти солі зростає з підвищенням температу-
ри і знижується з її зменшенням. Цією обставиною пояснюється випа-
дення солей з води сильно мінералізованих озер восени і в зимовий період.
Класифікація видів руху води в водних об'єктах
Завдяки малій в'язкості вода рухається і переміщається в сторону ук
лона поверхні.
Водні потоки діляться виходячи з типів руху води на стаціонарні
(Якщо швидкість течії не змінюється в часі, dv / dt = 0) і нестаціонарні (якщо швидкість течії в часі величина змінна, dv / dt ? 0). Стаціонарів Нарнії водні потоки діляться на рівномірні (якщо швидкість уздовж потоку залишаеться незмінною, dv / d х = 0) і нерівномірні (якщо швидкість руху уздовж потоку змінюється, dv / d х ? 0).
Існують два гідродинамічних режиму руху води: ламінарному
ний і турбулентний. У ламінарному режимі частинки води рухаються по парал-
лельного траєкторіях, швидкість їх руху невелика. Прикладом ламінарного руху можуть служити підземні води, льодовики. У турбулентному режимі рух частинок води має хаотичний характер, з відносно великою швидкістю. Таким режимом відрізняються руху вод в океанах, морях, річках, озерах.
Характер руху визначається швидкістю руху, гідродінаміче-
ський режим потоку характеризується числом Рейнольдса (Rе):
де h - глибина водойми;
Rе = ?h / v,
? - кінематичний коефіцієнт в'язкості, при температурі ?15 ° С,
? = 1-10-6 м2 / с;
v - середня швидкість.
Якщо Rе <300, то потік є ламінарним, якщо Rе 3000 - турбу- лентний, 300 Методи вивчення гідрологічних процесів | Водний баланс в гідрології