Вода обладает исключительно высокой теплоемкостью. Теплоемкость воды принята за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа – лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участках Земли в различные времена года и в различную пору суток: вода выступает как бы регулятором температуры на всей нашей планете.
Следует отметить особое свойство воды – ее высокое поверхностное напряжение – 72,7 эрг/см2 (при 20°С). В этом отношении из всех видов жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H2O. Особенно наглядно проявляется поверхностное напряжение в прилипании воды ко многим поверхностям – смачивании. Установлено, что вещества – глина, песок, стекло, ткани, бумага и многие другие, легко смачиваемые водой, непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Такой факт оказался ключевым при объяснении природы смачивания: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с «чужими» атомами кислорода.
Смачивание и поверхностное натяжение лежат в составе явления, названного капиллярностью: в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которую «позволяет» сила тяжести для столбика данного сечения.
В капиллярах вода обладает поразительными свойствами. Б.В. Дерягин установил, что в капиллярах вода, сконденсировавшаяся из водяного пара, не замерзает при 0° и даже при снижении температуры на десятки градусов.
Молекулы воды отличаются большой термической устойчивостью, при деструкции по схеме: 2H2OÛ 2H2 + O2 + 2·245,6 КДж. Начинается при температурах выше 1000°С, и при 2000°С составляет лишь 1,8%. При 5000°С водяной пар со взрывом нацело разлагается на водород и кислород.
Вода относится к слабым электролитам: H2OÛH+ + OH-
_ [H+] [OH-] _
Kдисс` [H2O] `1, 8·10-16
Вода весьма реакционно-способное вещество: может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания – железо, углерод и др.
2Na + 2H2O ® 2NaOH + H2
2Fe + 4H2O ® Fe3O4 +4H2
Под действием сильных окислителей (фтор, хлор, электрический ток) воды проявляет восстановительные свойства. Так, реакцию взаимодействия со фтором можно представить следующим образом:
2F2 +2H2O Û 2H2F2 + O2
Существует три типа присоединения воды к молекулам других веществ: по ионному, координатному и адсорбционному типу.
Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам:
CaO + H2O ® Ca(OH)2
P2O5 + 3H2O® 2H3PO4
Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом. Так отщепление от едкого натра начинается при 1388°С:
2NaOH®Na2O + H2O
К ионам металлов – комплексообразователей присоединение идет по координатному принципу:
CaCl2 + CH2O ® [Ca(H2O)6]·Cl2
Полученные соединения называются аквакомплексами, а вода, вошедшая в их состав, - кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется легче, чем конституционная, например, при выветривании.
Различные вещества адсорбируют на своей поверхности некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода, присоединенная по абсорбционному типу, называется гигроскопической; она удаляется легче, чем кристаллизационная.
Ионный состав природных вод.
Происходящее в почвах окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей типа:
СаСО3 + H2O + СO2 ®Са(НСОз)2
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы (например, Са+2, Mg+2), замещая их эквивалентным количество других ионов (Na+, К+).
Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы (граниты, кварцевые породы и т.д.) почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенными в природных водах являются следующие ионы: С1-, SO4-, НСО3, СО3-, Na+, Mg2+, Са2+, H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты (MgCO3, СаСО3). Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция.
Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют рН в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод, в связи с меньшим содержанием в них углекислоты, рН обычно выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.
Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или кислот (угольной, органических). Так, например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:
FeS2 + 4O2 ® Fe2+ + 2SO42-,
а при действии угольной кислоты – карбонат железа:
FeS2 + 2Н2СОз® Fe2+ + 2НСОз + H2S + S.
Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой кислоты. При рН >8 кремниевая кислота находится практически в недиссоциированном виде; при рН <8 кремниевая кислота присутствует совместно с HSiO3 , а при рН >П - только HSiOз . Часть кремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2·H2O , а также в виде поликремневой кислоты: X·SiO2·Y·H2O. В природных водах присутствуют также Аl3+, Mg2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и органические и грубодисперсные взвеси. Наиболее распространенными вприродных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.
Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфяников, сапропелитов и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.
Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой вещества минерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних паводков.
Подземные воды.
Советский ученый Лебедев на основе многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах. Представления А.Ф. Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.
Паро-образованная вода занимает в породе поры, не заполненные жидкой водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары переходят в другие виды влаги.
Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже поддавлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 - 300°С. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плёнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением. Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и фильтрационную способность.