Химически чистая вода состоит по весу из 11,19% водорода и 88,81% кислорода. Изучение структуры воды тесно связано с изучением трех агрегатных состояний, в которых она встречается на Земле. Строение воды определяется расположением ядер водорода относительно ядра кислорода. Исследования молекулы воды показали, что атомы кислорода и водорода располагаются по углам равнобедренного треугольника, на вершине которого находится атом кислорода (рис. 1 а). Угол при вершине равен примерно 106°, а стороны треугольника имеют длину 0,96 А (ангстрема), т. е. 10-10 м; расстояние между ядрами водорода НН==1,50 А. Треугольник НОН находится внутри сферы, по которой движутся электроны. Центр инерции сферы С не совпадает с центром атома кислорода О и находится от него на расстоянии 0,13 А.[ ...]
При охлаждении воды количество ассоциированных молекул возрастает, но так как при понижении температуры решетка воды непрерывно деформируется, приближаясь к решетке льда, то к моменту замерзания полная перестройка молекул завершается увеличением объема. Для большинства тел при переходе из жидкой фазы в твердую характерно уменьшение удельного объема и увеличение плотности. При замерзании воды удельный объем увеличивается примерно на 10%. Плотность чистого льда при температуре 0° С равна 0,9167 • 103 кг/м3, т. е. меньше, чем воды. Поэтому лед держится на поверхности, предохраняя водоемы от промерзания до дна. Образующийся внутриводный и донный лед (стр. 84, 301) всплывает к поверхности. Сложной структурой молекул воды и перестройкой их решеток можно объяснить увеличение плотности воды с повышением температуры от 0 до 4° С, аномальное изменение ее удельной теплоемкости с изменением температуры, высокую теплоту плавления, парообразования, диэлектрическую постоянную и некоторые другие особенности.[ ...]
Согласно кинетической теории газов и жидкости, удельный объем всех тел при повышении температуры увеличивается, т. е. уменьшается плотность. Вода отличается от других тел и в этом отношении: в интервале от 0 до +4° С ее плотность увеличивается в связи с частичным разрушением тетраэдральной структуры, а при дальнейшем повышении температуры плотность уменьшается (удельный объем увеличивается) вследствие увеличения расстояния между молекулами. У морской воды температура наибольшей плотности зависит и от солености. С повышением температуры и понижением солености плотность уменьшается, а с понижением температуры и увеличением солености увеличивается.[ ...]
Вода, лед и воздух плохо проводят тепло, поэтому в естественных водоемах передача тепла в глубины происходит чрезвычайно медленно. Обогревание же глубинных вод связано с процессами вертикального перемешивания. Для Мирового океана важную роль играет теплопроводность, связанная с турбулентностью, коэффициент которой в тысячи раз превосходит коэффициент молекул лярной теплопроводности. Для оценки скорости переноса тепла определяют температуропроводность. Она равна отношению коэффициента теплопроводности воды к ее плотности и теплоемкости при постоянном давлении. Весьма малая теплопроводность воды, льда и снега и высокая теплоемкость благоприятны для развития жизни в водоемах.[ ...]
Скрытая теплота испарения и льдообразования. При переходе воды из жидкой фазы в парообразное состояние процесс испарения происходит медленно, а с повышением температуры более интенсивно. Когда упругость водяных паров становится равной внешнему давлению, вода закипает. Температура кипения химически чистой воды при нормальном давлении 1013 мб (760 мм) соответствует 100° С, при давлении 970 мб — 98,8° С, а при 1020 мб 100,2° С. При испарении и при конденсации 1 кг воды затрачивается и выделяется определенное количество тепла, называемое скрытой удельной теплотой парообразования (испарения), величина которой при 273 К равна 2,5-10® Дж/кг (597 кал/г). С повышением температуры она понижается и при 373 К равна 2,26-10е Дж/кг, т. е. 539 кал/г при 100° С. Скрытая теплота парообразования чистого льда или снега при 273 К больше, чем воды, на величину теплоты плавления 3,35 • 105 Дж/кг (677 кал/г).[ ...]
Высокая теплота испарения воды и плавления льда имеет важное значение для теплового баланса Земли.[ ...]
Диэлектрическая постоянная воды (е) весьма высока — она равна 81. У большинства тел она находится в пределах 2—8. Высокий дипольный момент при незначительном молекулярном объеме воды обусловливает высокое значение е. Только немногие соединения обладают высокой диэлектрической постоянной (нитробензол 36, спирты метиловый 33, этиловый 26 и рутил 170). Вследствие большой диэлектрической постоянной вода отличается большой ионизирующей способностью (способностью расщеплять молекулы растворенных веществ на ионы) и высокой растворимостью различных элементов, входящих в состав почв и горных пород.[ ...]
Поверхностное натяжение. Внутримолекулярные силы проявляются внутри воды в виде сил сцепления, а на свободной поверхности— в виде сил прилипания. Первые обусловливают вязкость, вторые — поверхностное натяжение. На свободной поверхности межмолекулярные силы стремятся втянуть все молекулы во внутрь жидкости и уменьшить свободную поверхность. В результате этого возникает сила поверхностного натяжения, направленная нормально к поверхности воды. Коэффициент поверхностного натяжения изменяется от 7,13-10 2 до 7,65- 10-2 Н/м (от 71,32 до 76,52 дин/см) в зависимости от температуры и солености. С ним связано образование первичных капиллярных волн на поверхности озер, морей и океанов.[ ...]
Для ламинарных движений с малыми скоростями, когда слои воды, не смешиваясь, как бы скользят друг по другу, характерна молекулярная вязкость. Коэффициент молекулярной вязкости чистой воды при 0° С равен 0,01795 • 10 5 кг • м/с.[ ...]
Вода отличается большой подвижностью. Под влиянием различных внешних и внутренних сил воды естественных водоемов приходят в движение. Наряду с такими крупномасштабными движениями, как приливы, сейсмические волны, течения, а также волнение, колебания уровня, вертикальное перемешивание, движение воды может происходить под влиянием молекулярных сил. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами воды и веществ, с которыми они взаимодействуют, определяют движение воды в капиллярах почв и грунтов. Исследования физических свойств воды показывают, что у пресной воды эти силы зависят главным образом от изменений температуры и давления, а у морской, кроме того, и от солености. Так, например, морская вода, представляя собой высокоионизированный раствор различных солей, хорошо проводит электрический ток.[ ...]
Рисунки к данной главе:
| Строение молекул воды (а) и тетраэдральное расположение молекул (6). |
 |