Глава 2. Вода и ее физико-химические свойства

Большое практическое значение воды является одной из основных причин пристального изучения ее многими науками. Совершенно очевидно, что тому или иному времени соответствовали свои представления о роли и свойствах воды в биосфере. Так, у мыслителей древности они носили отвлеченный и философский характер. Позже, в средние века, в связи с возникновением у алхимиков учения о химической природе организмов и происхождения болезней эти представления несколько конкретизировались. При этом неоднократно предпринимались по­пытки свести воедино известные эмпирические данные о физико-хи­мических свойствах и биологических особенностях воды. На рубеже XVIII—XIX вв. сложились представления о свойствах воды, которые в основных чертах дошли до настоящего времени. Уже в наше время при изучении процессов ядерных распадов стали известны различные изотопы водорода: протий, дейтерий и тритий; и изотопы кислорода с массовыми числами 16, 17 и 18.

Интерес к воде связан, по мнению В.И. Вернадского, еще и с тем, что именно «вода определяет основные черты строения биосферы, с которой все живое неразрывно и закономерно связано». Действительно, в свое время вода стала прародительницей жизни на Земле: в океанической воде под действием жестких ультрафиолетовых и космических лучей, легко проникающих на поверхность нашей планеты, шел абиогенный синтез органических соединений.

Обладая относительно высокой диэлектрической проницаемостью (при 18⁰ С равной 81,0), вода оказывается хорошим растворителем, обладает сравнительно малой вязкостью и поэтому, постоянно перемешиваясь, способствовала образованию огромного числа комбинаций молекул, чтобы в итоге отобрать те, которые явились основой жизни. Вместе с тем, поверхностный слой воды, задерживая ультрафиолетовые лучи, способствовал защите вновь образовавшихся организмов от их губительного воздействия.

Другое аномальное свойство воды — уменьшение объема при нагревании от 0 до 4⁰ С, вследствие чего ее максимальная плотность достигается не в точке замерзания (0⁰ С), а при 3,98⁰ С, также способствовало и способствует сохранению условий жизни гидробионтов, обуславливая подъем и опускание вод в водоемах.

Следующее свойство ~ высокая удельная теплоемкость воды. В зимнее время она медленно остывает, а летом — медленно нагревается, что делает воду естественным регулятором температуры на нашей планете.

Вода обладает также самым большим поверхностным натяжением, ' равным 75 эрг/см². Для сравнения можно отметить, что у глицерина поверхностное натяжение — 65 эрг/см², аммиака — 42 эрг/см², а у всех остальных жидкостей — менее 30 эрг/см². Именно это свойство воды и ее плотность определяют высоту поднятия воды в капиллярной системе при фильтрации в пористых породах дна, почве и т.д.

Другие аномальные свойства воды: при замерзании она расширяется, а не сжимается, как другие тела, и при этом плотность ее уменьшается. Далее, с увеличением давления у воды понижается температура замерзания, а не наоборот, как этого следовало ожидать. Эти свойства делают воду ~ простейшее из известных устойчивых соединений с кислородом — уникальной.

Аномальные свойства воды связаны, как известно, с особенностями строения ее молекул и со способностью образовывать ассоциированные молекулы (Н₂О) х n. В самом деле, вода с химической формулой Н₂О существует только в виде водяного пара при высоких температурах, а в жидком состоянии наряду с одиночными молекулами имеются ассоциированные агрегаты. Такая ассоциация молекул воды обусловлена их полярностью, в результате чего молекулы притягиваются разноименными полюсами, образуя удвоенные и/или утроенные частицы.

Известно, что в молекуле воды имеется 5 электронных пар: одна пара электронов образует замкнутую конфигурацию у ядра кислорода, две другие образуют ковалентную связь между кислородом и двумя атомами водорода, а еще две пары, оставаясь неразделенными, направлены в противоположную сторону.

Таким образом, в молекуле воды образуется четыре полюса зарядов в форме тетраэдра, из которых два отрицательных созданы избытком электронной плотности вблизи атома кислорода, и два положительных — недостатком электронной плотности в местах расположения атомов водорода. Отсюда и возникает дипольный момент, в результате которого молекулы воды объединяются в цепочки по две, три и т.д. Все же наибольшей устойчивостью обладают удвоенные молекулы воды.

Существуют два стабильных изотопа водорода — протий ¹Н и дейтерий ²Н, и три стабильных изотопа кислорода — О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸. Поэтому в природной воде возможно образование 9-ти изотопных разновидностей воды, хотя справедливости ради, следует подчеркнуть, что вода на 99,73% состоит из разновидности Н₂О¹⁶.

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дейтерием, как известно, называется «тяжелой» водой, которая, в свою очередь, получается при длительном электролизе природной воды. Ее свойства заметно отличаются от обычной воды. Например, максимальной плотности она достигает при +11⁰С. Тяжелая вода применяется в урановых котлах в качестве замедлителя ядерного распада. Кроме того, известно, чтоона тормозит развитие живых организмов.

Существует также и «сверхтяжелая» вода, содержащая тритий, которая образуется при ядерных распадах.

Некоторые свойства воды

	«Обычная» вода	«Тяжелая» вода	«Сверхтяжелая»
			вода
Мол. Масса	18,01	20,02	21,02
Плотность, г/см2	0,99	1,10	1,33
t0С плавления		3,81	9,00
t 0 С кипения		101,43	104,00

Известно, что именно масса 1 мл очищенной речной воды была в свое время принята за единицу веса 1 грамм.

В природных водах присутствуют почти все известные химические элементы. Общая минерализация природных вод изменяется в достаточно широких пределах от 10до 350 мг/л.

В зависимости от общей минерализации В.И. Вернадский разделил воды на:

- пресные до 1 г/л '

- солоноватые 1—10г/л

- соленые 10—50 г/л

- рассолы более 50 г/л

Чаще природные воды классифицируют следующим образом:

пресные - 0,01-0,3 г/л

солоноватые - 0,3-24,695 г/л

соленые - 24,695-49,0 г/л . более

рассолы - 49 г/л, т.е. %о

Известно, что граница между пресными и солоноватыми водами принята по средней чувствительности человека воды на вкус. Граница между солеными водами и рассолами, т.е. 49 %о, установлена по наибольшей солености, которая встречается в открытых морях (Красное море).

А о солености, равной 24,695 %о, которая выбрана в качестве границы между солоноватыми и солеными водами, следует сказать особо, ибо она установлена не случайно: при этой солености температура замерзания воды и величина наибольшей плотности совпадают (—1,332°С). Поэтому при солености меньшей, чем 24,695 %о, температура наибольшей плотности выше, чем температура замерзания воды, а при солености большей, чем 24,695 %о — наоборот. И это явление существенно сказывается на гидрологическом режиме водоема: в водоемах с соленостью меньше 24,695 %о при приближении к температуре замерзания верхний охлаждающий слой становится легче глубинных слоев и образование ледяного покрова в таких водоемах происходит значительно быстрее, чем в водоемах с соленостью больше 24,695 %о. В соленых водоемах при охлаждении воды верхний слой становится тяжелее и опускается на дно, и поэтому ледяной покров не образуется до тех пор, пока не произойдет полное перемешивание и охлаждение воды отповерхности до дна до температуры замерзания.

Тепловые свойства воды

Вода, как и другие прозрачные среды, пропускает через себя световые лучи и одновременно отражает часть из них от поверхности водоема. Инфракрасные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаясь, проходят в глубину и нагревают ее. Кроме того, нагретые верхние слои воды передают теплоту нижележащим слоям. Известно, что теплопроводность воды чрезвычайно мала, поэтому нагрев глубинных слоев воды за счет нагретых верхних несущественен по сравнению с непосредственным воздействием солнечных лучей.

Нагревание воды в водоеме может носить случайный нерегулярный или периодический характер. Периодические изменения температуры природных вод могут быть суточными и сезонными. Первые обусловлены сменой дня и ночи, при этом максимальная температура воды бывает в конце дня, а минимальная — к утру. При сезонных колебаниях наибольшая температура воды имеет место летом, а наибольшее охлаждение — зимой.

Известно, что пресная вода обладает наибольшей плотностью при 4° С. С этим свойством воды связано чрезвычайно важное явление в водоемах, а именно — стратификация вод. Сущность этого явления заключается в том, что слои воды в водоеме располагаются соответственно плотности: на поверхности расположен слой наименьшей, а у дна — наибольшей плотности. В глубоких водоемах умеренной зоны придонные слои воды имеют плотность близкую к наибольшей, т.е. их температура будет около 4° С. При этом температура поверхностных вод в течение года может быть выше, ниже или равной 4° С.

Летом температура поверхностных вод обычно выше +4° С и убывает с глубиной, и, соответственно, плотность воды с глубиной возрастает и устанавливается прямая температурная стратификация.

Осенью с охлаждением поверхностного слоя более плотные воды вытесняют непосредственно под ними лежащие теплые слои на поверхность и возникают конвекционные токи воды: холодных слоев сверху вниз, а теплых — наоборот, снизу вверх до тех пор, пока температура всей толщи воды не достигнет 4° С. Наступает период осенней гомотермии.

Зимой, с дальнейшим охлаждением слоев воды ниже 4° С, их плотность начинает уменьшаться. При этом температура воды по направле­нию от поверхности ко дну возрастает. Такое распределение температур и распределение плотности по вертикали сохраняется и после образования льда, т.е. устанавливается обратная температурная стратификация.

Весной после таяния льда и прогрева поверхностного слоя воды до 4 С она становится наиболее плотной и начинает опускаться ко дну. Возникают конвекционные токи, которые выравнивают температуру всей толщи воды приблизительно до 4 С, и наступает весенняя гомотермия. После этого при дальнейшем прогревании воды вновь уста­навливается прямая температурная стратификация.

Разумеется, температура придонного слоя воды может быть и выше 4 С, а зимой ниже четырехградусной величины как в результате циркуляционных токов, так и за счет распространяющегося до дна нагревания или охлаждения в сравнительно неглубоких водоемах.

Циркуляция воды в водоемах вызывает явление температурного скачка, когда в водной толще летом или зимой появляется слой воды с резким перепадом температуры. Одновременно выше и ниже этого слоя температура воды изменяется постепенно. Такой термоклин появляется весной после вскрытия льда и нагревания воды и остается в течение лета, постепенно смещаясь ко дну. При этом его толщина со временем уменьшается. Термоклин исчезает осенью, чтобы вновь появиться зимой.

Температура окружающей среды является одним из важнейших экологических факторов в жизни гидробионтов: она может быть минимальной, оптимальной и максимальной. Для гидробионтов умеренной зоны верхний предел температуры воды не имеет особого значения, так как температура природных вод, за исключением горячих источников, не достигает предельных величин.

Гораздо большее значение для гидробионтов имеют низкие температуры. И хотя температура воды менее резко отвечает на колебания, чем суша, тем не менее, в холодные зимы она может достигать предельных значений для жизни некоторых гидробионтов.

Гидробионты, вся жизнь которых протекает в воде, обладают разной устойчивостью к понижению температуры. Некоторые гибнут, оставляя споры или яйца, приспособленные к низким температурам, большинство же проводит зимний период в подледных слоях воды или зарывшись в ил, и/или впадает в оцепенение. Обычно с наступлением холодов гидробионты покидают мелководную прибрежную зону и уходят на глубину.

Именно с изменения температуры воды следует начинать любые гидробиологические исследования. Как самостоятельное задание следует измерить температуру в прибрежной и пелагической зонах, установить наличие температурной стратификации или гомотермии и/или температурного скачка. Необходимо также установить суточные колебания температуры на поверхности и на глубине в течение определенного периода времени, например, эксперимента "in situ" или времени отбора проб.

Для измерения температуры воды используют специальные термометры в металлической или иной оправе, на шкале которого нанесены градусы и их десятые доли. Лучше использовать температурные датчики, погружаемые на определенную глубину, или электронные измерители температуры. Однако, независимо от имеющегося в наличии оборудования, рекомендуется всегда делать параллельные измерения температуры в воздухе и воде, избегая действия прямых солнечных лучей. Для измерения температуры у дна термометр или датчик прибора опускают на нужную глубину и оставляют там некоторое время, чтобы ртутный шарик или датчик приобрел температуру данного слоя воды. При измерении температуры воды по вертикали от поверхности до дна измерения производят через каждые 0,5 метра, соблюдая при этом упомянутые выше правила. Такое детальное измерение необходимо для определения температурного скачка.