Современные представления о строении воды.
Основные положения. Итак, что же такое вода. Из школы мы знаем что это соединение имеет простую химическую формулу – Н2О. Итак, два атома водорода и один атом кислорода составляют молекулу воды.
Эта формула, строго говоря, соответствует молекуле водяного пара. В жидком же виде вода имеет признаки «кристаллической» структуры. В такой воде молекулы ассоциированы, т.е. сгруппированы в своего рода «рои», однако существуют и одиночные (мономерные) молекулы. В каждом из роев может содержаться до 12 – 150 молекул воды. При этом с увеличением температуры количество молекул в рое уменьшается. Такие рои живут около одной десяти миллиардной доли секунды. При этом одни – разрушаются, а другие – возникают. Физики называют это явление «мерцающими роями».
В наши дни даже в газах имеются слабые признаки упорядоченности. Таким образом, можно сделать неожиданный вывод о том, что вода имеет свойства кристаллической структуры. При изменении температуры в кристаллической структуре воды происходят перестроения от «тридимитной» к кварцевой плотность воды изменяется. Ее максимальное значение наблюдается в интервале 0 - +4 ºС).
Молекулы воды имеют также высокую полярность, электрические полюса. Вода – удивительный минерал. Ее теплоемкость примерно в 10 раз выше, чем у железа и выше чем у других жидкостей, у воды самая высокая в мире минералов скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления. Чтобы выпарить воду из чайника, потребуется в 5,5 раз тепла больше, чем вскипятить его. Из-за такого свойства медленно испаряться, даже в жару не испаряются полностью реки и озера, при этом в них сохраняется жизнь.
При замерзании вода превращается в лед, имеющий рыхлую кристаллическую структуру увеличиваясь в объеме на 9% по отношению к первоначальному объему. При этом лед оказывается легче воды и способен плавать на ней. При охлаждении объем воды уменьшается, а начиная с +4 ºС он наоборот – расширяется.
Самая плотная вода соответствует 4 °С, опускаясь на дно водоема она сохраняет эту температуру, при этом обеспечивая благоприятные условия для зимовки пресноводным обитателям рек, прудов и озер. Из всех жидкостей, кроме ртути у воды самое большое поверхностное натяжение. Каждый видел, как по поверхности водоема бегают некоторые виды насекомых. Некоторые ящерицы также могут бегать по поверхности воды. Они тяжелее воды, но не проваливаются – пленка воды поддерживает их. Дистиллированная вода является диэлектриком и не проводит электрический ток, наконец – вода является сильным растворителем.
Аномальные свойства воды свидетельствуют о ее высокой устойчивости к воздействии. Внешних факторов, вызванной наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть такой связи в том, что ион водорода, связанный с ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы.
Водород не имеет внутренних электронных слоев и характеризуется малым ионным радиусом. Это и определяет возможность максимального приближения соседней молекулы к атому водорода и возникновению больших электростатических сил связи.
В молекуле воды атом кислорода связан с двумя значительно меньшими атомами водорода, что приводит к ее поляризации. Из 10, имеющихся в молекуле воды электронов, два расположены непосредственно у атома кислорода, а восемь образуют четыре вытянутые электронные орбитали. Оси двух из них направлены вдоль связи О-Н, а двух других – лежат приблизительно в плоскости, идущей приблизительно через ядро кислорода перпендикулярно плоскости Н-О-Н. Электроны движутся в пределах орбиталей попарно.
Наличие в воде водородных связей в расположении ее молекул определяет высокую степень упорядоченности ее структуры, что сближает ее со структурой твердого тела. В связи с наличием в структуре воды таких связей возникают многочисленные пустоты, делающие воду очень рыхлой.
В жидкой воде взаимодействуют не разупорядоченные молекулы, свойственные любому жидкому состоянию вещества, а зародыши кристаллических образований. В этом смысле вода находится как бы в промежуточном положении между кристаллическим и жидким состоянием, т.е. относится к числу «жидких кристаллов». По этой причине иногда воду записывают не в виде Н2О, а как (Н2О)n, Здесь n может изменяться, по мнению различных авторов, от 12 до 860 в зависимости от температуры. Только при температуре 250 – 300 °С значение n приближается к 1, а формула воды будет Н2О.
Наличием водородных связей объясняют аномалии физических свойств воды. Их природа в настоящее время изучена недостаточно.
На основании спектрометрических и рентгенографических исследований прошлого века установлено, что структура воды имеет тетраэдрический характер, при котором каждая ее молекула окружен четырьмя другими молекулами. Эта гипотеза (Дж. Бернара и Р. Фаулера) положила начало представлениям о двухструктурных моделях строения воды.
В соответствии с гипотезой Х.С. Френка и У.И. Вина жидкая вода представляется конгломератом «мерцающих кластеров», состоящих из соединенных водородными связями молекул, плавающих и более или менее свободной воде, о чем мы уже упоминали.
О.Я. Самойловым предложена на основании экспериментальных работ и теоретических расчетов одноструктурная модель воды. Согласно ей каждая молекула воды соединена водородными связями с четырьмя соседними молекулами, расположенными по углам тетраэдра. Такое расположение молекул воды формально соответствует льдоподобному каркасу, слегка нарушенному тепловым движением.
Есть и другие гипотезы о строении воды, в частности – в виде кольцевых структур. В учебнике М.Г. Ясовеева приведена сравнительная схема строения воды в представлении различных авторов. Эти исследования нельзя считать завершенными.
Характер структуры жидкой воды, по мнению большинства исследователей, в каждый момент определяется соотношением льдоподобных ассоциантов (кластеров) с мономерными молекулами воды, т.е. соотношением групп молекул, имеющих водородные связи, с одиночными молекулами, лишенными этих связей. Важным фактором этого соотношения является температура.
Тело человека более чем на две трети состоит из воды. Всем известны три агрегатные состояния воды. Это пар, жидкость и лед. Есть и четвертое агрегатное состояние, при котором вода не замерзает при минус 10, 20, 30 ºС, а при –70 ºС она превращается стеклоподобное вещество. Такая вода получена при конденсации воды в тонких капиллярах. Сверханомальная капиллярная вода плотнее в 1.4 раза обычной питьевой воды и . Такая вода в обычной воде образует резко очерченные капли. Это необычное свойство двух состояний воды, имеющей одинаковый химический состав, является удивительным состоянием воды.
Лед отличается тем, что имеет кристаллическую структуру, где все молекулы воды связаны между собой водородными связями. Плавления льда сопровождается нарушением его кристаллической решетки и разрывом части водородных связей.
Состав подземных вод
Подземная вода представляет собой сложный природный раствор, в котором содержатся все известные химические элементы в виде ионов, комплексных соединений, растворенных, либо газообразных молекул. По этой причине В.И. Вернадский писал, что в каждой капле воды , как в микрокосмосе, отражается состав космоса.
С этой точки зрения состав подземной воде отражается не только большим количеством химических элементов, но и изменчивостью их количественного состава и разнообразием растворенных форм каждого элемента. В воде содержатся многие живые и мертвые микроорганизмы (бактерии), механические и коллоидные вещества, сложные органоминеральные и другие комплексы.
Химические элементы в подземных водах. Из-за большого разнообразия химических элементов, содержащихся в подземных водах, до настоящего времени известны только пределы содержания отдельных элементов и их суммы, которые, обычно и используют при характеристике состава подземной гидросферы.
Как и в горных породах, в подземных водах имеются случаи аномальной концентрации отдельных, или ряда химических элементов, образующих месторождения, их формирование обусловлено специфическими обстановками.
Специфика того, или иного объекта земной коры может быть выявлена путем изучения кларковых содержаний химических элементов, которые, к сожалению для подземных вод до сих пор не установлены.
С.Л. Шварцев на основании более 25 тыс. химических анализов рассчитал среднее содержание 50 химических элементов в подземных водах основных ландшафтных зон земного шара, отдельных гидрогеологических провинций и зоны гипергенеза в целом.
Оказалось, что наиболее пресными являются воды зоны вечной мерзлоты. Они характеризуются гидрокарбонатным магниево-кальциевым составом с общей минерализацией 0.16 г/дм3. Весьма пресные гидрокарбонатные натриево-магниево-кальциевые воды с минерализацией 0.18 г/дм3 формируются в условиях тропических и субтропических областей.
Следующими по увеличению минерализации являются области горных массивов, где формируются пресные гидрокарбонатные магниево-кальциевые воды с минерализацией 0.2 г/дм3.
Наиболее минерализованы среди вод выщелачивания являются подземные воды областей умеренного климата на платформах, щитах, древних складчатых сооружениях. Небольшой водообмен приводит здесь к формированию близких к нейтральным гидрокарбонатных натриево-кальциевых вод с общей мнерализацией порядка 0.33 г/дм3.
Грунтовые воды континентального засолонения – солоноватые, слабощелочные, гилрокарбонатно-хлоридно-сульфатные и магниево-кальциево-натриевые (с минерализацией порядка 1.27 г/дм3).
В подземной гидросфере концентрируются элементы не склонные к образованию устойчивой кристаллической решетки при пластовых температурах, имеющий большой ионный радиус (хлор, бром, калий и т.п.), либо – малый (сера, углерод, азот и др.), но способных к образованию сложных кислородных соединений с большим радиусом (SO42-, CO32-, NO3- и др.). Это одно из важнейших отличий между химическим составом гидросферы и литосферы.
Среди элементов, образующих в гидросфере наибольшие концентрации преобладают литофильные (натрий, магний, хлор, калий, стронций, барий), либо халькофильные с 8- и 18- электронным строением (сера, бром, йод, ртуть, германий). Инертные газы, например, характеризуются наиболее низкими концентрациями.
Газовый состав. Основными газами подземных вод являются: O2, N2, CO2, H2S, CH4, H2, NH3, He, Rn, Ne, Ar, Xe, Kr. Их содержание зависит от коэффициента растворимости каждого из газов, температуры, давления, минерализации. Наименьшая растворимость – у гелия, а наибольшая – у H2S. С ростом температуры – растворимость газов сначала снижается, но при дальнейшем ее повышении – увеличивается.
В большинстве случаев по весу преобладают один-два, реже – три газа. В геохимическом отношении наиболее важны O2, CO2 и H2S.
Кислород содержится в подземных водах обычно 15 – 20 мг/дм3. С глубиной его концентрация обычно снижается, поскольку он расходуется на окисление минеральных, органических и газовых компонент воды и на образование сложных кислородсодержащих ионов.
Углекислота входит с водой и ее химическими компонентами в ряд химических соединений. В том числе она участвует в карбонатном равновесии: H2О - CO32-НСО3-. Содержание CO2 в глубоких подземных водах достигает 20 г/дм3 и более.
Сероводород входит в равновесие H2S - SO42- - HS-. Он – активный восстановитель. Содержание H2S в водах достигает 2 г/дм3, иногда более.
Азот распространен практически во всех типах подземных вод. Содержится в количестве десятков – сотен мг/л, достигая 1200 мг/л.
Углеводородные газы. Наиболее изучены предельные углеводороды – метан, этан, бутан, пропан. Их максимальное содержание достигает 13 000 мг/дм3 в водах нефтегазовых месторождений. Количественно преобладает метан.
Водород распространен в подземных водах. Его содержание составляет от единиц до десятков (реже – сотен) мг/дм3.
Гелий привлекает внимание как показатель активности глубинных разломов, предвестник землетрясений и других глубинных процессов.
Изотопы водорода и кислорода. Изотопный состав оценивается стабильными изотопами водорода (протий и дейтерий) и кислорода (О16, О17, О18), их распространенность различна. Встречаются короткоживущие радиоизотопы. Для водорода это тритий (Н3) с периодом полураспада 12 – 26 лет) и весьма неустойчивый Н4. Встречаются 4 короткоживущих изотопа кислорода с периодами полураспада О14 - 74; О19 – 29; О20 – менее 10 мин. При гидрогеологических исследованиях используются в основном изотопный состав водорода и кислорода.
Концентрация H2 и О18 контролируется равновесием жидкости и водяного пара. Постоянство изотопного состава поддерживается круговоротом воды в природе. Наиболее однородный и устойчивый изотопный состав присущ океанической воде. Она является аккумулятором дейтерия и тяжелого водорода.
В качестве эталона для оценки концентрации H2 и О18 используется стандарт океанической воды (SMOW), он отвечает абсолютному содержанию 0.0158 ат. % дейтерия и 0.1985 ат. ; тяжелого кислорода. Концентрация дейтерия и тяжелого кислорода измеряется как отклонение от стандарта, приравниваемого к нулю и выражается в ‰ (промилле)
Органические вещества. Их изучение связано, в основном, с поисками нефти. Среди веществ, для которых утверждены предельно допустимые концентрации (ПДК) – более 90% это органические соединения, в том числе загрязнителями являются нефтяные углеводороды и пестициды.
Источник поступления этих загрязнителей в подземные воды – атмосферные осадки и смыв поверхностными водами с суши. Они встречаются в почве, илах, иловых водах, поровых растворах, вблизи залежей нефти и газа.
Количественно органическое вещество в подземных водах выражается содержанием углерода (С орг) или кислорода различных видов окисляемости. Качественный состав органического вещества весьма сложный. Органические вещества весьма подвижны, активны и изменчивы.
Микрофлора и ее геохимическая роль. В.И. Вернадский называл ее «живым веществом». Она представляет собой мельчайшие растительные организмы – простейшие, водоросли, бактерии, дрожжи, плесени. Известно около 150 тыс. их различных видов. Бактериальные организмы имеют размер от десятых долей до нескольких микрон. Бактерии состоят на 75 – 85 % из воды, остальная часть – белки, углеводы, липиды (жиры) и нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). Их клетки содержат много органических соединений, легко доступных в общем обмене веществ – сахара, кислоты, аминокислоты, нуклеотиды, фосфорные эфиры, витамины и т.п.
Энергию бактерии получают в ходе окислительно-восстановительных реакций. По отношению к кислороду различают аэробные и анаэробные бактерии. Первые развиваются только при наличии свободного кислорода, а отдельные группы – связанного кислорода (например – NO3). Анаэробы живут при отсутствии, либо ограниченном доступе свободного кислорода. Они используют сульфаты, нитраты, углекислоту, органические вещества.
По характеру обмена бактерии подразделяют на авто- и гетеротрофные. Автотрофы используют для своего развития минеральные вещества. Углерод они получают из СО2, а водород – из воды, Н2S, NH3 или используют газообразный водород. Гетеротрофы нуждаются в готовых органических соединениях. Энергию на восстановление СО2 они получают от окисления органических веществ. К гетеротрофам относят большинство бактерий, обнаруженных в подземных водах.
До глубины 3 – 4 км количество бактерий колеблется от 10 тыс. до 500 тыс. клеток на 1 мл. воды. В наиболее благоприятных условиях это число достигает нескольких миллионов клеток в 1 мл. Число живых клеток достигает 95 – 99 %. Основным фактором, влияющим на их развитие является температура. Верхним пределом, при которым может существовать жизнь бактерий считают 90 – 98 °C. Пониженные температуры ( 3 – 5 °С) затормаживают развитие бактерий. Их полное вымирание видимо происходит при температуре около минус 10 °С.
Бактерии, развивающиеся при температуре 20 – 40 °С называют мезофильными. Для термофильных бактерий оптимальные условия жизни – это температуры от 40 до 75 °С.
Окисление восстановительных соединений серы осуществляется тионовыми бактириями. Они представляют автоморфные микроорганизмы, использующие свободную углекислоту (СО2) на построение своего тела и получают энергию от окисления серы и ее восстановленных продуктов.
Лекция
РЕГИОНАЛЬНАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Региональная гидрогеология– раздел гидрогеологии, который изучает подземные воды и гидрогеологические условия отдельных регионов страны, либо мира в целом. Она является основой для всех разделов гидрогеологии. Региональная гидрогеология входит в систему геологических наук и теcно связана с другими разделами гидрогеологии.
Такую связь можно представить себе так;
Общая гидрогеология --à
Динамика подземных вод -->
Методы гидрогеологических исследований --à
Региональная гидрогеология
Общая гидрогеология базируется на общей геологии, региональной инженерной геологии, исторической и структурной геологии, тектонике, геохимии и других геологических дисциплинах.