Плотность и удельный объем

Тема 1. Химические и физические свойства природных вод

Основные физические свойства воды, снега и льда

Общие сведения. Вода имеет большое значение в жизни Земли. Являясь одним из распространенных и наиболее подвиж­ных природных тел, она участвует почти во всех физических, кли­матических и биологических процессах, совершающихся на Земле.

При анализе гидрологических явлений принимается, что коли­чество свободной воды на Земле сохраняется постоянным. Вода в результате некоторых процессов вступает в прочные соединения с другими веществами и перестает существовать как свободное образование, однако в глубоких слоях земной коры имеют место и обратные процессы: при высоких давлениях и температурах вновь образуется некоторое количество воды.

Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет голу­бовато-зеленый оттенок. Чистая вода, без примесей, почти не про­водит электрический ток. Температура замерзания дистиллирован­ной воды принята за 0° С, а температура кипения при нормальном давлении - за 100° С.

Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Наи­более химически чистой является дождевая вода, но и она содер­жит различные примеси, которые захватывает из воздуха. Попадая на землю, дождевая вода отчасти стекает по поверхности, отчасти просачивается в почво-грунты, образуя подземные воды. Стекая по поверхности земли и в толще почво-грунтов, вода растворяет различные вещества и превращается в раствор. Качественный и количественный характер изменений химического состава раство­ренных веществ и физических свойств воды весьма различен и за­висит от всего комплекса физико-географических условий, в кото­рых совершается процесс круговорота воды на Земле.

Строение воды. Вода состоит из 11,11% водорода и 88,89% кислорода (по весу). При образовании воды с одним ато­мом кислорода соединяются два атома водорода. В молекуле воды атомы водорода и кислорода расположены по углам равнобедрен­ного треугольника: при вершине находится атом кислорода, а в уг­лах при основании - по атому водорода (Рис.1).

РИС. 1. СХЕМА СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ ВОДЫ

Молекула воды характеризуется значительной полярностью вследствие того, что в ней оба атома водорода располагаются не на прямой, проведенной через центр атома кислорода, а как бы по одну сторону от атома кислорода. Это приводит к неравномер­ности распределения электрических зарядов. Сторона молекулы с атомом кислорода имеет некоторый избыток отрицательного за­ряда, а противоположная сторона, в которой размещены атомы водорода, - избыток положительного заряда электричества. На­личием полярности и некоторых других сил обусловлена способ­ность молекул воды объединяться в агрегаты по несколько мо­лекул.

Простейшую формулу H₂O имеет молекула парообразной воды - гидроль.

Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объедине­ние двух простых молекул (Н₂O)₂ - дигидроль.

Молекула льда - объединение трех простых молекул (Н₂0)з - тригидроль.

В парообразном состоянии при температуре свыше 100° С, вода состоит главным образом из молекул гидроля, так как зна­чительная скорость движения молекул при этой температуре на­рушает ассоциацию (объединение) молекул.

В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением температуры.

Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наиболь­ший объем, а простые, необъединившиеся молекулы в нем отсут­ствуют.

Возможность перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в лед или в пар и обратно) определяется температурой и давлением. Диа­грамма состояния воды изображена на рис. 2.

РИС. 2. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

Линия АВ показывает границу равновесия между парооб­разной и твердой водой, линия ВС - между парообразной и жидкой во­дой. При температуре 0,0075°С и давлении 6,1 мб в устойчивом рав­новесии могут одновременно суще­ствовать лед, пар и жидкая вода (точка В на графике).

Если очень чистую воду охлаж­дать, тщательно предохраняя ее от сотрясения, то лед долго не образу­ется, несмотря на низкую темпера­туру; практически такое охлажде­ние производилось до -72° С. Од­нако переохлажденная вода малоус­тойчива: при внесении в нес кристаллика льда или при встряхивании она сразу же превращается в лед. Переохлаждение воды в естественных водоемах на 0,005-0,01° С встречается весьма часто. В грунтах вследствие повышенной минерализации переох­лаждение воды может быть более значительным.

Плотность и удельный объем

Под плотностью воды rпо­нимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т.е.

r = m/V где r - в г/см³.

За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С.

Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице массы, называется удельным объемом:

v = V/m где v - в см³/г.

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, дав­ления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

С по­вышением температуры плотность всех жидкостей, как правило, уменьшается. Вода в этом отношении ведет себя аномально: при температурах выше 4° С плотность ее с повышением температуры уменьшается, а в интервале температур 0-4° С увеличивается. Аномальное изменение плотности воды объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды идут два параллельных про­цесса: первый - нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния между молекулами, второй - уменьшение объема бла­годаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей.

В зоне температур выше 4° С интенсивнее происходит первый процесс, в интервале 0-4°С - второй. В момент выравнивания влияния, оказываемого этими процессами на изменение объема воды, наступающего при 4° С, наблюдается наибольшая плотность.

Изменения плотности воды на один градус температуры в раз­личных интервалах температуры неодинаковы. Они очень малы около температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере удаления от нее. Так, при температуре, близкой к 4°С, из­менение плотности воды на один градус температуры составляет 8*10^-6, при температуре около 30°С - до 3*10^-4.

При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) плот­ность резко, скачкообразно изменяется приблизительно на 9%; плот­ность дистиллированной воды при 0°С равна 0,99987, а плотность льда, образовавшегося из той же воды при 0°С, равна 0,9167.

С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и при -20° С достигает 0,92.

Своеобразный режим изменения плотности воды в связи с из­менениями температуры имеет колоссальное значение в природе. Благодаря этому естественные водоемы (например, озера) при от­рицательных температурах воздуха зимой даже в условиях суро­вого климата не промерзают до дна в случае достаточной глубины водоема. При этом под ледяным покровом остается жидкая вода, потому что при промерзании лед, значительно более легкий, чем вода, остается на поверхности водоема, на дно которого опуска­ются охладившиеся до 4°С наиболее плотные массы воды.

Плотность снегаr_с выражается в виде от­ношения веса снега к весу воды, взятых в равных объемах, или отношения веса снега Р в граммах к его объему W в кубических сантиметрах

r_с = P/W, где вес снега Р в граммах, объем снега W в куб. см.

Слой воды h_в, содержащийся в снеге, выражается как произве­дение высоты снега h_с на его плотность r_с

h_в = r_с h_с

С плот­ностью снега непосредственно связаны пористость, теплопровод­ность, водоудерживающая способность, твердость и другие меха­нические и водно-физические свойства снежного покрова.

Плотность снега колеблется в широких пределах как по вре­мени, так и по площади. Наименьшей плотностью, порядка 0,01 г/см³, обладает свежий снег, выпавший при низкой темпера­туре и безветренной погоде. С течением времени под влиянием ветра и оттепелей снег уплотняется. Сильно промокший и затем смерзшийся снег обладает плотностью до 0,70 г/см³.