Гідрогеохімія - 1

1. ВЛАСТИВОСТІ ТА СТРУКТУРА ВОДИ

1.1. Аномальність властивостей води

Тільки наприкінці XVIII на початку XIX ст. стало відомо, що є речовина, звана водою. Досвідами Г. Кавендіша, А. Лавуазьє, А. Гумбольдта, Ж.Л. Гей-Люссака було доведено, що вода утворюється із двох обсягів водню та одного обсягу кисню, тобто. має хімічну формулуН2Оі молекулярну масу 18. Поступово, однак, ставало ясно, що майже за всіма фізико-хімічними параметрами ця речовина унікальна, що різко відрізняється з інших природних сполук.

Температури плавлення та кипіння води

На них ґрунтуються прийняті системи відліку температур.

Вибір води для створення температурних шкал.

Цельсій(1701-44). Шкала Цельсія –1741 р.Температури кипіння та плавлення водипри атмосферному тиску відповідно дорівнюють 100 про З і 0 про З,

Реомюр(1683-1757). Шкала Реомюра 1730 Температура кипіння води прийнята за 80 про (1 про С = 5/4 про R).

Фаренгейт(1686-1736). Точка танення льоду прийнята 32 про F, точка кипіння води - 180 про F (t про З = 5/9 t про F - 32).

Відкриття періодичного законуД.І.Менделєєва(1869 р). Невідповідність фізичних параметрів води періодичному закону.

Невідповідність періодичному закону видно порівняння температур кипіння і плавлення водневих сполук елементів групи кисню. Дані для Н2Se знімаються з графіка. Для води видно, що за періодичним законом температура плавлення води становила б близько мінус 90 о , а температура кипіння - близько -70 о . Вода за “нормальних” умов була б токсичним газом, що погано пахне.Життя на Землі було б неможливим.

Завдяки цим«аномальним» властивостям вода оберігає життя та регулює тепловий та газовий режим нашої планети.

Питома теплоємність води – найвища із усіх рідин. І тут вода прийнята за зразок: для того, щоб нагріти 1 г води на 1 про С до витратити 1 калорію теплової енергії (calor - тепло, лат.). Для порівняння: гіпс – 0,27, суха глина 0,22 кал. (1 кал = 4,187 Дж.). Питома теплоємність льоду та пари вдвічі нижча – 0,5 кал/г. град. Надзвичайно великі та приховані теплоти плавлення та пароутворення води – 79 та 539 кал. Таким чином, щоб перевести 1г льоду з температурою 0 про С на пару треба витратити 79+100+539 = 718 калорій тепла. Завдяки такій надзвичайно високій теплоємності вода є головним регулятором теплового режиму на нашій планеті. Вплив Світового океану дається взнаки практично у всіх точках Землі, навіть найбільш віддалених від морських берегів, що характеризуються, так званим, континентальним кліматом. Великі водоймища, і, Світовий океан, – регулятори теплового режиму Землі. Для грунтового шару річний теплообіг 1,5-3 ккал/см 2 , наприклад, Балтійського і Чорного морів 48-52. За відсутності водойм влітку температура піднімалася б, а взимку опускалася на кілька сотень градусів і життя на Землі була б неможлива; навпаки, якби Земля повністю була б покрита океаном, річна амплітуда повітря змінювалася б від 0 на екваторі до 5-6 про З полюсах. Вплив океану поширюється всю планету, включаючи полюси холоду в Антарктиді.

З високою теплоємністю води пов'язані такі показники, якприхована теплота плавлення,складова 333,7·10 3 Дж/кг,і прихована теплота пароутворення,складова 2258,10 3 Дж/кг, тобто. для перетворення 1 кг льоду на рідину і 1 кг рідкої води на пару потрібні величезні витрати енергії.Це свідчить про високу енергоємність води, що визначає її виняткову роль як акумулятора енергії при протіканні природних процесів.

Величинадіелектричної постійноїдля води є найбільш високою з усіх рідин і дорівнює 80,1 при температурі 20 про З. при температурі близько 0 про З становить близько 82. Це означає, що при розчиненні у воді солей, сила електричної взаємодії між різноіменно зарядженими частинками зменшується у 80 разів, внаслідок чого солі дисоціюють на іони. У більшості розчинників не вище 50, у неполярних рідин (бензин, гас) не більше 3. Ця властивість води зумовлює явище електролітичної дисоціації, тобто. здатність солей, кислот, лугів розпадатися у водних розчинах на різноіменно заряджені іони. Вода інертна як розчинник. Вона привносить поживні речовини в живі організми і виносить шлаки і замінити її нічим. Т.о. і без цієї властивості водижиття на Землі було бнеможливе.

Вода розчиняє мінерали, але вони знову відроджуються, якщо випарувати воду. Ця особливість має колосальне геологічне та біологічне значення, зумовлюючи водні круговороти різних порядків, які проходять за кілька годин (у живих організмах) і тривають багато мільйонів років у надрах Землі (геологічні). Очевидно, і поява життя Землі значною мірою пов'язані з цим дивним властивістю води.

Всі речовини мають максимальну щільність при температурі плавлення, крім води.Максимальна щільність води(1,0 г/см 3 ) відповідає т-ре 3,98 про ; щільність льоду 0,918 г/см 3 ; тільки вода не тоне у своєму розплаві; на це звернув увагу ще Фалес Мілетський. При замерзанні води утворюється тонка захисна кірка льоду,що забезпечує збереження водойм, насамперед – Світового океану – головного регулятора повітряного режиму планети. І без цієї властивості води життя набуло б зовсім інших форм.

1.2. Уявлення про приховану структуру води

Структура води.Тридцяті роки ХХ століття принесли нове велике відкриття, пов'язане з вивченням води: англійські фізики Дж. Бернал і Р. Фаулер на підставі рентгенографічних та спектроскопічних досліджень встановили, що молекули води певним чином упорядковано, кожна молекула води оточена по тетраедру чотирма іншими. Тим самим було підтверджено висловлену наприкінці XVIII ст. В. Рентгеном думка про складну будову рідкої води та існування між окремими молекулами додаткових зв'язків. Це явище вчені називаютьструктурою води,хоча зрозуміло, що повністю ототожнювати його з кристалічною решіткою твердих речовин не можна, так як рідка вода є сумішшю мономерних і полімерних молекул, зв'язки між окремими мономерами динамічні: вони постійно з'являються, руйнуються, посилюються, слабшають.

Головною причиною існування структури води є особливий тип зв'язку між окремими атомами – водневою. Цей зв'язок має електростатичну природу, але він слабший за нормальний валентний зв'язок між атомами водню і кисню, що утворюють окремі мономери. У кожному мономері Н2О відстань між атомами водню і кисню становить 0,1 нм, а кут, що утворюється між валентними зв'язками - близько 105º. У водневому зв'язку відстань між атомами збільшується до 0,176 нм, причому вона не є постійною.

Існує кілька моделей структури води, що ґрунтуються на ідеї з'єднання окремих мономерів водневим зв'язком. Дж. Бернал та Р. Фаулер припустили існуваннятрьох типів розташування молекул: а) структури, що наближаються до кристалічних ґрат льоду, існують при температурі від 0 до 4ºС; б) структури типу кварцу, що переважають при температурі 4-200ºС; в) структури із щільною упаковкою, характерною для нормальних рідин (майже позбавлені водневих зв'язків), виникають за температури вище 200 ºС [Блох А.М. Структура води та геологічні процеси .Л., 1969, с.216].

Цікавий підхід до інтерпретації структурних особливостей води запропонував італійський фізик М. Анджено (1967). Згідно з його уявленнями, кожна молекула води може брати участь не більше ніж у двох, але так званих колективних, водневих зв'язках, внаслідок чого поєднання валентних та водневих зв'язків утворює ланки різних типів (рис.1).

Мал. 1. Молекулярні агрегати у рідкій воді (за М. Аджендо).

Ці ланки можуть формувати ланцюжки, кільця і складніші системи, безперервно що утворюються, руйнуються, обмінюються молекулами. При цьому загальна кількість водневих містків у системі залишається постійним і можливі типи агрегатів присутні у воді в різних пропорціях статичної рівноваги, що визначається температурою. Кільця із шести молекул, мабуть, наближаються до структури льоду.

З позицій структурної будови рідкої води пояснюються її аномальні властивості. Необхідність руйнування водневих зв'язків зумовлює високу енергоємність води, внаслідок чого аномально високими стають точки плавлення та кипіння, теплоємність та приховані теплоти плавлення та пароутворення. При охолодженні води в інтервалі температур від 4 до 0ºС відбувається перебудова структури від щільнішої тетрагональної до гексагональної упаковки льоду. Міцний зв'язок між молекулами води робить її інертним по відношенню до розчиненихречовин. Оскільки структура води формується електростатичними зв'язками, її впливають різні поля (температурне, геодинамическое, магнітне, електричне).

При додатку тиску молекули рідин зближуються та їх в'язкість підвищується. Зовсім по-іншому поводиться вода. Перші ступені навантажень призводять до перебудови структури води, заповнення міжмолекулярних порожнин, що супроводжується зменшенням її в'язкості, і тільки з тисків близько 100 МПа (досить високих для природних умов) починається поступове підвищення в'язкості.

1.3. Різновиди води

Структурні властивості води та існування кількох ізотопів кисню та водню є причиною того, що вода може утворювати багато фізико-хімічних різновидів. Ось деякі з них.

Уявлення про активовану воду

Досліди новосибірських вчених (Ф.А.Летніков та ін.) з обробки води в автоклавах при температурах 300-400 ºС і тисках до 100 МПа показали, що при цьому посилюється розчинна здатність води за багатьма мінералами (до сульфідів, гіпсу, кварцу), зменшується рН, збільшується електропровідність. Вплив температури та тиску на зміну структур води навели фахівців на думку про можливість імітації властивостей води, що знаходиться на великих глибинах (тобто при високих температурах і тисках), і призвели до відкриття так званої активованої води>. Після обробки води в автоклавах Виявлення активованого стану води термальних мінеральних джерел наводить думку про те, що цілющі властивості деяких типів мінеральних вод можуть бути пов'язані не тільки з їх хімічним складом, але і з підвищенням біологічної активності води при її активації. Відкриття явища активації не лише дозволяє пояснитидеякі властивості гідротермальних розчинів, а й відкриває перспективи штучного приготування мінеральних вод.

Вплив електричного поля

При поміщенні водиелектричне полеможуть відбутися певні зміни її структури. Так, електричний струм послаблює структурні зв'язки, і після обробки води змінним електричним струмом швидкість випаровування збільшується за наявними нечисленними даними на 11-18%). Помічено вплив електричних полів на інтенсивність поглинання водою світлових променів.

Вплив магнітного поля

Вода-II.На початку 60-х років XX ст. Н.М. Федякін виявив надзвичайно цікаве явище: при конденсуванні пар води в тонких кварцових капілярах діаметром 5-20 мкм) утворюється рідина, яка за властивостями значно відрізняється від звичайної води. Пізніше ця рідина, названа вода-II, вивчалася великими українськими та зарубіжними дослідниками, зокрема, великим колективом учених на чолі з Б.В. Дерягіним. Було виявлено, що вода-II є в'язкою рідиною з щільністю близько 1 г/см 3 і показником заломлення 1,49 (проти 1,33 для звичайної води). Ця рідина переходить у твердий стан при охолодженні мінус 35÷40 ºС без стрибка об'єму. Температура кипіння води II при атмосферному тиску приблизно 250 ºС. Вода-II має унікальний інфрачервоний спектр поглинання, що не відповідає жодній з відомих речовин. Модифікований стан отриманої речовини є стійким і зберігається при перегонці (ця процедура була використана для укрупнення порцій води-II). Було доведено, що знову отримана речовина відповідає формулі Н2О; кварц, певне, виконує роль каталізатора при синтезі води-II.

Дослідження води-IIпривело Б.В. Дерягіна та його співробітників до висновку про можливість існування особливого типу міцного молекулярного зв'язку між воднем і киснем, що формує полімери, що складаються з 6-10 мономерних молекул Н2О. Поки що важко визначити роль води-II у природних системах, але ясно, що її дослідження обіцяє певні перспективи у вивченні глибинних геологічних процесів.

Тяжка вода.В даний час відомо три ізотопу водню (1 Н-протий, 2 Н-дейтерій D, 3 Н-тритій Т) і три ізотопу кисню (16 О, 17 О , 18 О). Це означає, що може бути значна кількість різновидів води з різними ізотопними комбінаціями. Найбільш стійкою є так звана важка вода D2O, що міститься у вигляді домішки у звичайній воді в сотих частках відсотка. За властивостями важка вода істотно відрізняється від звичайної: максимальна густина відзначається при t=11,2 ºС і становить 1,056 г/см 3 ; в'язкість на 20% вище; діелектрична стала на 0,3-0,5% нижче. Температура плавлення тяжкої води 3,8 ºС; температура кипіння 101,4 ºС. Судячи з наведених даних та ряду інших даних, дейтерієвий зв'язок є ще більш міцним, ніж водневий. Використовується важка вода як уповільнювач нейтронів в атомних реакторах. Тяжка вода токсична, живі істоти та рослини в ній гинуть. Деякі вчені пов'язують еволюцію життя на нашій планеті зі змінами концентрації дейтерію у воді: зокрема, зниженою порівняно із сучасною концентрацією дейтерію у воді пояснюють існування гігантських травоїдних у мезозої. Втім, ці положення мають спірний характер.

Наведені тут приклади різновидів води, що визначаються її складною структурою та ізотопією, показують, наскільки невичерпними є перспективи появи нових відкриттів прививченні такої дивовижної речовини, як вода.