Таким образом, структура воды при температурах выше 00С не является однородной: в ней в различных соотношениях встречаются микрообъемы с беспорядочным расположением молекул и микрообъемы со скрытокристаллической структурой (T. Odrova, 1979) [ Odrova T.V. 1979. Hydrophysics of Continental Water Bodies. Hydrometeoizdat, Leningrad, 311 p.]. Cложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода, в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом, изменяющимся от 18 до 22, хотя наиболее распространенной молекулой воды является молекула с молекулярным весом 18.
Тяжелая вода, с молекулярным весом 20, составляет примерно 0.02% всех запасов воды. Но ее присутствие придает обычной воде большую плотность и влияет на другие физические ее свойства. Так, тяжелая вода состава D2 O(H22O16) имеет температуру плавления +3.80С, кипения=+101.40С и температуру наибольшей плотности +11.60С (Odrova, 1979).
Различие в изотопном составе объясняется влиянием некоторых физических и биологических процессов, способствующих изменению концентрации молекул с различными молекулярными весами. В природных водах на эти изменения особенно влияет испарение. Связано это с тем, что в процессе испарения в основном участвуют молекулы воды с меньшим молекулярным весом , из-за меньшей упругости водяных паров тяжелой воды. В местах же с преобладанием процессов конденсации, разноообразие состава уменьшается. Несмотря на то, что структура воды еще не исследована в достаточной мере, основные ее физические свойства изучены достаточно хорошо, на которых мы и остановимся ниже.
Плотность. Под плотностью воды понимается отношение массы “m” к объему “w” при данной температуре в кг/м3, или в виде:
r=m/w ,
где r-плотность воды в кг/м3.
Как известно, максимальная плотность физических тел обычно наблюдается при температуре затвердевания. Вода в этом отношении не соответствует большинству физических тел и ее максимальная плотность, для дистиллированной воды при температуре 3.980С, достигает 1,000.0 кг/м3. При отклонении температуры воды от 40С в обе стороны плотность воды убывает. Аномальное изменение плотности воды объясняется тем, что при повышении температуры от 0 до +40С ее тридимитовая структура замещается кварцевой, причем увеличение объема вследствие нагревания компенсируется более значительным уменьшением объема вследствие изменения структуры. Так как максимальная плотность воды наблюдается при 40С, а плотность твердой фазы оказывается ниже жидкой фазы, то лед плавает на ее поверхности и, таким образом защищает водоемы и водотоки от промерзания их до самого дна, что таким образом предохраняет все живое в воде от гибели.
Максимальная плотность достигается при полном переходе от тридимитовой, более рыхлой, структуры, к кварцевой, более компактной. Дальнейшее же уменьшение плотности при повышении температуры объясняется разрушением кварцевой структуры и замещением ее беспорядочным движением молекул.
В естественной природной среде вода почти всегда является раствором различного состава (ионы солей и газов, коллоидов минерального и органического происхождения) Поэтому природная вода обладает большей плотностью, чем дистиллированная вода при той же температуре. При этом плотность минерализованной воды зависит не только от степени минерализации, но и от состава растворенных в воде веществ. Например, наличие в воде растворенных газов уменьшает ее плотность. При одной и той же общей концентрации солей вода с преобладанием хлоридов и бикарбонатов имеет меньшую плотность по сравнению с водой, содержащей сульфаты и карбонаты. При постоянстве состава растворенных веществ плотность воды возрастает с ростом минерализации.
Плотность различного происхождения вод при температуре 40С различается следующим образом: снеговая-999, 9977 кг/м3, дождевая-999. 9990 кг/м3, речная- 1000. 000 0 кг/м3, океаническая- 1000. 0015 кг/м3, вода растений- 1000, 0017 кг/м3, кристаллизационная вода минералов-1000, 0024 кг/м3 (Mishon, 1979). Повышенная плотность океанической воды объясняется тем фактом, что при испарении в водяной пар в основном переходит изотоп кислорода О16, неиспарившаяся же вода обогащается более тяжелыми изотопами О17 и О18.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.