Физические свойства и строение воды

Важнейшие физические константы воды приведены в табл. 3. Тройная точка для воды, где находятся в равновесии жидкая воды, лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10-3 атм.

Многие физические свойства воды обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H2Te, H2Se, H2S, H2O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для воды эти температуры аномально высоки. Плотность воды в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при -30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения воды аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость воды минимальна при 40°С. Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость воды крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.

Таблица 6 — Физические свойства воды

----------------------------------------------------------------------------

| Свойство | Значение |

|---------------------------------------------------------------------------

| Плотность, г/см3 | |

|---------------------------------------------------------------------------

| лёд.................. | 0,9168 (0°С) |

|---------------------------------------------------------------------------

| жидкость............ | 0,99987 (0°С) |

| | 1,0000 (3,98°С) |

| | 0,99823 (20°С) |

|--------------------------------------------------------------------------

| пар насыщенный...... | 0,5977 кг/м³ (100°С) |

|---------------------------------------------------------------------------

| Темп-ра плавления..... | 0°С |

|---------------------------------------------------------------------------

| Темп-ра кипения....... | 100°С |

|----------------------------------------------------------------------------

| Критич. темп-ра........ | 374,15°С |

|----------------------------------------------------------------------------

| Критич. давление....... | 218,53 кгс/см² |

|---------------------------------------------------------------------------

| Критич. плотность...... | 0,325 г/см³ |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Теплота плавления...... | 79,7 кал/г |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Теплота испарения...... | 539 кал/г (100°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Уд. теплопровод- | |

| ность, кал/(см·сек·град) | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| лёд.................. | 5,6·10-3 (0°С) |

|------------------------------------------------------------------------- |

| жидкость............ | 1,43·10-3 (0°С) |

| | 1,54·10-3 (45°С)

|--------------------------------------------------------------------------|

| пар насыщенный...... | 5,51·10-5 (100°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Уд. электропровод- | |

| ность, ом--1·см-1 | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| лёд.................. | 0,4·10-8 (0°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| жидкость............ | 1,47·10-8 (0°С) |

| | 4,41·10-8 (18°С) |

| | 18,9·10-8 (50°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Уд. теплоёмкость | |

| кал/(г·град) | |

|------------------------------------------------------------------------- |

| жидкость............ | 1,00 (15°С) |

|------------------------------------------------------------------------- |

| пар насыщенный...... | 0,487 (100°С) |

|----------------------------------------------------------------------- --|

| Диэлектрическая про- | |

| ницаемость | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| лёд.................. | 74,6 (°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| жидкость............ | 81,0 (20°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| пар насыщенный | 1,007 (145°С) |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Вязкость, спз | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| жидкость............ | 1,7921 (0°С) |

| | 0,284 (100°С) |

| | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Поверхностное натя- | 74,64 (0°С) |

| жение жидкой во- | 62,61 (80°С) |

| ды на границе с | |

| воздухом, дин/см | |

|--------------------------------------------------------------------------|

| Показатель прелом- | 1,33299 (20°С) |

| ления (D — линия | |

| натрия).............. | |

|-------------------------------------------------------------------------- |

| Скорость звука в во- | 1,496 м/сек (25°С) |

| де................... | |

---------------------------------------------------------------------------

Аномалии физических свойств воды связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле воды образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 1, а). Распределение электронной плотности в молекуле воды таково (рис. 1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1, г). Благодаря этой полярности воды имеет высокий Дипольный момент (1,86 D), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле воды образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).

Рисунок 23 - Структура молекулы воды: а — геометрия молекулы H2O (в парообразном состоянии); б — электронные орбиты в молекуле H2O; в — электронная формула молекулы H2O (видны необобществленные электронные пары); г — четыре полюса зарядов в молекуле H2O расположены в вершинах тетраэдра.

Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 23), она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул воды в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см³.) В жидкой воде присущая льду связь каждой молекулы H2O с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени сохраняется; однако «рыхлость» структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы «дальнего порядка» попадают в «пустоты», что ведёт к росту плотности воды. При дальнейшем нагревании воды возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение, воды которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность воды уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания воды необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях воды состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H2O)2.

Вода как растворитель. Вода — наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в воде. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в водые уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в воде, но и образуют Кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м² (3 кгс/см²) даёт кристаллогидрат C3H8·17H2O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат воды в «пустотах» своих кристаллов.

При оценке качества воды источника необходимо знать ее физические показатели (температуру, запах, вкус, мутность и цветность).

Температура природных вод зависит от их происхождения. Воды подземных источников отличаются постоянством температуры, причем с увеличением глубины залегания вод сезонные колебания температуры уменьшаются. Помимо сезонных изменений на температуру воды в отдельных местах открытых водоемов влияет поступление в них подземных вод, а также тепловых выбросов промышленности. Оптимальная температура воды, используемой для питья, составляет 7-11 С.

Причиной мутности речных и озерных вод могут быть составные части почв и горных пород, вымываемыми реками из своего русла, а также талые воды и ливневый смыв, т.е. твердые осадки, смываемыми дождями с почвы лесов, полей, лугов и улиц населенных пунктов. Ливневый смыв в период сильных дождей повышает мутность воды в несколько раз. В больших водоемах помутнение воды происходит за счет взмучивания осадков со дна вследствие волнения в ветреную погоду, в результате массового развития одноклеточных водорослей и по другим причинам.

Мутность некоторых рек весьма значительна. Содержание взвешенных веществ в них во время половодий и паводков достигает несколько тысяч миллиграммов на 1 л. Реки Новосибирской области, в том числе Обь, имеют значительно меньшую мутность. Иногда повышение мутности воды вызывается выделением твердых частиц различных веществ, например некоторых углекислых солей (за счет уменьшения содержания свободной угольной кислоты), гидроксида железа, вследствие окисления кислородом воздуха солей железа и др.

Количественное определение взвешенных веществ в воде весовым способом занимает много времени, и в практике чаще применяются методы косвенной оценки: установление прозрачности или мутности воды. При содержании взвешенных веществ менее 3мг/л определяют не прозрачность, а мутность воды (понятие, обратное прозрачности), сравнивая испытуемую воду со стандартными суспензиями. Согласно ГОСТ 3351-74 мутность воды определяется фотометрическим способом и выражается в миллиграммах на 1 л.

Изменение цветности воды в основном обуславливают органические соединения, которые в природных водах весьма разнообразны. Некоторые из них входят в состав организмов, населяющих воду, а часть является продуктами их жизнедеятельности или распада. Иногда источником окрашенных органических соединений в водоемах служат промышленные и бытовые сточные воды. Коллоидные железистые соединения придают воде оттенки от желтоватых до зеленых.

Главным источником окрашенных органических веществ в природных водах является почвы и торф. Присутствие органических веществ в воде обуславливает не только определенную цветность, но влияет также на ее прозрачность, запах и вкус, показатель преломления света, поверхностное натяжение, биохимическую потребность в кислороде (БПК) и его растворимость. Согласно данным, органические вещества могут быть косвенной причиной различных заболеваний, возникающих вследствие связывания этими соединениями редких и рассеянных элементов, необходимых для нормальной физиологической деятельности человеческого организма.

Цветность воды выражается в градусах и определяется фотометрически – путем сравнивания проб испытуемой жидкости с растворами, имитирующими цвет природной воды.

Различают четыре вкуса природной воды: соленый, горький, сладкий, кислый.

Природные воды, используемые для водоснабжения, могут обладать соленым или горьким вкусом, что связано с присутствием избытка растворенных солей. В частности избыток MgSO₄ вызывает горький вкус, избыток NaCL –соленый. Кислый вкус имеют минеральные воды при избытке растворенной углекислоты. Придел вкусовых ощущений человека достаточно высок (например, хлорфенол обнаруживается на вкус при концентрации 0,000004 мг/л).

Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами. Так, соли железа и марганца придают воде чернильный или железный привкус. CaSO₄ – вяжущий. В некоторых случаях привкус является мнимым, кажущимся. Впечатление о нем создается под действием примесей на органы обоняния, а не вкуса. Интенсивность вкуса и привкуса определяется органолептические при 20ºС и оценивается по пятибалльной системе. Запахи воды бывают естественного и искусственного происхождения. Причиной запахов естественного происхождения могут быть химический состав примисей воды, живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки, специфические соединения, выделяемые некоторыми водорослями и микроорганизмами.

К этим запахам относятся следующие: ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, запах плесени, рыбный, травянистый, неопределенный. А также, запах сероводорода, часто обуславливаемый присутствия последнего в воде.

Вещества, обуславливающие запахи естественного происхождения, являются сложными смесями ароматических углеводородов и кислородосодержащих соединений (спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры). Они летучи, разрушаются сильными окислителями и хорошо поглощаются активированным углем. Запахи искусственного происхождения, вызываемые примесями промышленных сточных вод, называются по соответствующим веществам: фенольный, хлорфенольный, нефтяной и т.д.

Общая характеристика показателей качества воды. По принятой в Росгидромете методике формализованной оценки качества поверхностных вод по 6 основным показателям (азот аммонийный и нитритный, нефтепродукты, фенолы кислород и биологическое потребление кислорода БПК 5) определяется Индекс загрязнения вод, который колеблется, в основном, от 0 до 10.

По величине индекса загрязнения вод устанавливается 7 классов качества вод: 1- очень чистая, П- чистая, Ш- умеренно загрязнённая, 1У- загрязнённая, У- грязная, У1- очень грязная, УП- чрезвычайно грязная.