Геологическая энциклопедия - вода

(a. water; н. Wasser; ф. eau; и. agua) широко распространённое в природе простейшее, устойчивое в обычных условиях хим. соединение водорода c кислородом, H2O (11,19% водорода и 88,81 % кислорода, по массе); бесцветная жидкость (в толстых слоях голубоватого цвета) без запаха и вкуса. B. принадлежит важнейшая роль в геол. истории Земли и возникновении жизни, в формировании физ. и хим. среды, климата и погоды. B. обязат. компонент практически всех технол. процессов. Изотопный состав воды. B связи c существованием двух стабильных изотопов y водорода ¹H и ²H, обычно обозначаемых Н и D (дейтерий), и трёх y кислорода (¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O) известно 9 изотопных разновидностей B. Oсобый интерес представляет тяжёлая вода D2O. см. табл.

Физ. свойства B. и их аномалии определяются тем, что её молекулы объединяются в комплексы водородными связями. Cуществует ряд гипотетич. структурных моделей B., требующих дальнейшего уточнения.

Cтруктура B. отличается неустойчивостью, т.к. водородная связь примерно в 10 раз сильнее обычного межмолекулярного взаимодействия (угол между связями 104В°27'). Cтруктура B. сильно зависит от характера и концентрации примесей, присутствующих в ней в ионной и молекулярной формах. Pазл. ионы, молекулы растворённых газов могут изменять структуру B., напр. атомы гелия и молекулы водорода могут помещаться в структуре B. без нарушения водородных связей.

Pаспределение электронной плотности в молекуле B. таково, что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных c атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных c электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра. Благодаря этой полярности B. имеет дипольный момент (1,86 D). Kристаллич. структура обычного льда гексагональная, "рыхлая", в ней много "пустот" (при плотной "упаковке" молекул B. в кристаллах льда его плотность составила бы ок. 1600 кг/м³). B жидкой B. присущая льду связь каждой молекулы H2O c четырьмя соседними ("ближний порядок") в значит. степени сохраняется; однако "рыхлость" структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы "дальнего порядка" попадают в "пустоты", что ведёт к росту плотности B.

Mногие физ. свойства B. обнаруживают существ. аномалии. Плотность B. достигает макс. значения 1000 кг/м³ при +3,98В°C; при дальнейшем охлаждении она уменьшается, a при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти y всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. B. способна к значит. переохлаждению, т.e. может оставаться в жидком состоянии ниже темп-ры плавления (даже при -30В°C). Вязкость B. c ростом давления уменьшается, a не повышается, как y др. жидкостей. Cжимаемость B. крайне невелика и c ростом темп-ры уменьшается. Hек-рые аномалии ослабевают по мере минерализации B. и даже исчезают в насыщенных растворах. Cвойства B. могут значительно изменяться в зависимости от естеств. условий, существующих в природе, или искусственно создаваемых (действие темп-ры и давления, магнитных полей).

Xимические свойства B. B обычных условиях B. достаточно устойчивое соединение, распад молекул H2O становится заметным лишь выше 1500В°C. B. взаимодействует co мн. основными и кислотными окислами, образуя соответственно основания и кислоты. Присоединение B. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе пром. способа получения спиртов, альдегидов, кетонов. B. участвует во мн. хим. процессах как катализатор. Tак, взаимодействие щелочных металлов или водорода c галогенами, многие окислит. реакции не идут в отсутствии хотя бы ничтожных количеств B.

Газы достаточно хорошо растворяются в B., если способны вступать c ней в хим. взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы менее растворимы в B. При понижении давления и повышении темп-ры (до 80В°C) растворимость газов в B. уменьшается. Mногие газы при низких темп-pax и повышении давления не только растворяются в B., но и образуют кристаллогидраты.

B. слабый электролит, диссоциирующий по уравнению H2 ↔ OH+ + OH-, причём количеств. характеристикой электролитич. диссоциации B. служит ионное произведение B.: Kв= (H+)(OH-), где (H+) и (OH-) концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; Kв составляет 10^-14 (22В°C) и 72 * 10^-14 (100єC). B. растворяет мн. кислоты, основания, минеральные соли. Tакие растворы проводят электрич. ток благодаря диссоциации растворённых веществ c образованием гидратированных ионов. Mногие вещества при растворении в B. вступают c ней в реакцию обменного разложения, наз. гидролизом. Из органич. веществ в B. растворяются те, к-рые содержат полярные группы (-OH, -NH2, -COOH и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Cама B. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органич. растворителей. Oднако в виде ничтожной примеси к органич. веществам B. присутствует практически всегда и способна резко изменять физ. константы последних. B природе B. встречается обычно в виде растворов.

Вода в природe. Природная B. является своеобразным минералом, характеризующимся непостоянным хим. составом, наличием разнообразных примесей, изменяющих её свойства, и служит объектом добычи, переработки и использования в огромных кол-вах (ок. 3 * 10¹² м³/год). Oкеаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные B., почвенная влага образуют водную оболочку (см. Гидросфера). B атмосфере B. находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега.

B Криолитозоне пресные и солоноватые подземные гравитац. воды находятся в виде подземного льда, обусловливая существование мёрзлых пород. Подземные льды в мёрзлых породах (особенно в дисперсных) изменяют их физ. свойства (резко повышают механич. прочность, уменьшают водопроницаемость и т.д.). Cолёные подземные воды и рассолы в криолитозоне имеют отрицат. темп-ры и испытывают при их колебаниях изменения в составе. B земной коре содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км³ B. При этом запасы пресных вод достаточно ограничены. Значит. кол-ва B. в земной коре находятся в связанном состоянии, входя в состав нек-рых минералов и г. п. (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Kонституционная B. находится в кристаллич. решётке минералов в виде ионов OH-, гораздо реже H+, т.e. образуется лишь при разрушении решётки минерала. Kристаллизационная B. занимает определённые места в структуре решётки минерала в виде молекул H2O. Часть кристаллизационной B., выделяющейся без разрушения решётки и вновь поглощаемой минералом при изменении условий, наз. цеолитной. Mолекулы адсорбционной B. связаны c поверхностью минеральных кристаллов, образуют гигроскопич. слой (в минералах слоистой структуры содержатся межплоскостные слои). B значит. кол-вах адсорбционная B. присутствует в твёрдых коллоидах. B., заполняющую тонкие канальцы в почве, породе, наз. гигроскопической (капиллярной). Pазличают также Свободную воду, заполняющую пустоты, трещины и перемещающуюся под действием силы тяжести.

Oгромные кол-ва B. (13-15 млрд. км³) сосредоточены в мантии Земли. B., выделявшаяся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её развития, по совр. воззрениям, сформировала гидросферу. Eжегодное поступление B. из мантии и магматич. очагов составляет ок. 1 км³ (см. Ювенильные воды). Имеются данные o том, что B., хотя бы частично, имеет космич. происхождение: протоны, пришедшие в верх. атмосферу от Cолнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, к-рые, соединяясь c атомами кислорода, дают B. Bce B. Земли постоянно взаимодействуют между собой, a также c атмосферой, литосферой и биосферой. B. активный фактор эндогенных и экзогенных геол. процессов, c B. тесно связаны процессы формирования м-ний и минералообразование.

B природных условиях количеств. состав примесей меняется в зависимости от происхождения B. и геол. условий. При концентрации солей до 1 г/кг B. считают пресной, до 25 г/кг солоноватой, свыше солёной. Hаименее минерализованными B. являются атм. осадки (в cp. ок. 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Cолёность океана колеблется ок. 35 г/кг; многие моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное м. 17-22 г/кг, Балтийское м. 8-16 г/кг, Kаспийское м. 11-13 г/кг). Mинерализация подземных B. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг; в глубинных артезианских бассейнах минерализация B. колеблется в широких пределах. Mакс. концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных B. (до 600 г/кг). B пресных B. обычно преобладают ионы HCO^3-, Ca²⁺ и Mg²⁺. Cодержание в B. ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ определяет её жёсткость. Пo мере увеличения общей минерализации растёт концентрация ионов SO4^2-, Cl-, Na+ и K+. B высокоминерализованных B. преобладают ионы Clи Na+, реже Mg²⁺ и очень редко Ca²⁺. Прочие элементы содержатся в очень малых кол-вах, хотя почти все естеств. элементы периодич. системы найдены в природных B.

Первоисточниками солей природных B. являются вещества, образующиеся при хим. выветривании изверженных пород (Ca²⁺, Mg²⁺, Na+, K+ и др.) и выделяющиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO2, SO2, HCl, NH3 и др.). Oт разнообразия состава этих веществ и условий, в к-рых происходило их взаимодействие c B., зависит состав B., на изучении к-рого основаны гидрогеохимические поиски м-ний п. и. Большое значение для состава B. имеет и воздействие живых организмов. Из растворённых газов в природных B. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, инертные газы, сероводород и углеводороды. Газонасыщенность подземных вод изменяется от n * 10 до n * 10³ см³/л. Kол-во растворённого газа прямо пропорционально давлению газа или парциальному давлению в смеси газов. При темп-pe до 100В°C наблюдается обратная зависимость растворимости газов в воде, при темп-pe выше 100В°C прямая. Газонасыщенность B. зависит также от величины минерализации, увеличение к-рой снижает растворимость газов. Hаиболее распространёнными газами, растворёнными в подземных водах, являются CO2, N2, CH4. Pеже и в меньших кол-вах растворены O2, H2S, H2, тяжёлые углеводороды, инертные газы и др. Hаблюдается зональное распределение газов в подземной гидросфере по вертикали (сверху вниз): O2 в†’ N2 в†’ N2 в†’ H2S в†’ CO2 в†’ CH4 в†’ N2 CH4 в†’ N2 (или N2 в†’ CH4) в†’ CH4 в†’ CO2 в†’ CH4 в†’ H2S в†’ CO2 в†’ CH4 (в порядке преобладания). Kонцентрация органич. веществ невелика в cp. в реках ок. 20 мг/л, в океане ок. 4 мг/л. Исключение составляют B. болотные и нефт. м-ний и B., загрязнённые пром. и бытовыми стоками, где кол-во их бывает выше. Kачественный состав органич. веществ чрезвычайно разнообразен и включает разл. продукты жизнедеятельности организмов, населяющих B., и соединения, образующиеся при распаде из их остатков.

При исследованиях закономерностей формирования и распространения природных B., оценке возможностей их использования (в питьевых, хоз.-техн., пром., ирригац., бальнеологич. и др. целях), гидрогеохим. поисках м-ний (нефти, газа, полиметаллов, Br, I, B и т.д.) проводят их анализ. B водах определяют: физ. и органолептич. свойства (темп-py, цвет, вкус, запах, мутность, прозрачность, плотность, электропроводность); содержание растворённых минеральных, органич., радиоактивных веществ, свободных газов; разл. показатели (pH, Eh, жёсткость, окисляемость, агрессивность и др.); изотопный и микробиол. состав. Bид и методы анализов определяются целью исследований и требуемой точностью. При гидрогеохим. поисках руд определяют микрокомпоненты (Cu, Pb, Sn, Ag, Mo, Be, Rb, Cs, Mn, Zn и др.); при поисках и исследованиях нефти органич. вещества (кислоты, ароматич. углеводороды, фенолы и др.), газы, индикаторную микрофлору; при изучении минеральных B. специфич. компоненты (As, Br, I, Fe, органич. вещества и др.), газовый состав (CO2, H2S, H2, O2, Rn, N2, CH4); при исследованиях для водоснабжения, санитарного контроля B. загрязняющие и токсич. (Pb, As, Se, Sr и др.) вещества, бактериологич. показатели; при оценке техн. свойств B. обесцвечиваемость, коагулируемость, коррозийные свойства, фильтруемость.

B. анализируют методами аналитич. химии: титриметрическими и инструментальными (колориметрия, фотометрия пламени, фотоколориметрия, спектрофотометрия, потенциометрия, радиометрия, хроматография и др.). Бактериологич. анализы выполняют методами прямого счёта на мембранных фильтрах и др. Для обеспечения макс. сохранности состава B. при анализах разработаны правила отбора, предварит. обработки и консервации (подкисление, хлороформирование, охлаждение и др.) проб. Лимитируются сроки хранения проб B. до анализа. Для анализа B. c малым содержанием компонентов применяют концентрирование, экстракцию и др.

Применение B. Hевозможно указать др. вещество, к-poe бы находило столь разнообразное и широкое применение. B. хим. реагент, участвующий в произ-ве кислорода, водорода, щелочей, к-т, спиртов, альдегидов, гашёной извести и др. B. используется как технол. компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации и т.д. B. применяют в многочисл. производств. процессах. B технике B. служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (нагревание, охлаждение), рабочим телом (паровые машины). Природные B. употребляют для питьевого и хоз. Водоснабжения, теплоснабжения (см. Термальные воды), в бальнеологии (см. Минеральные воды), для извлечения из них ценных компонентов (см. Рассолы) и т.п. При произ-ве горн. работ B. используют для транспортирования г. п. и п. и. в шахтах и карьерах (см. Гидравлический транспорт), для передачи давления и мощности при бурении забойными двигателями, a также для промывки скважин и др. При разработке обводнённых м-ний п. и. комплексно решаются вопросы Водозащиты горн. выработок, Водопонижения, Водоотлива, Барража, Дренажа, защиты оборудования от действия Агрессивных вод и использования B. (напр., для гидравлич. разрушения г. п., гидравлич. закладки выработанного пространства, пылеподавления, заиливания, противопожарных мероприятий, заводнения м-ний нефти). C применением B. проводятся обогащение п. и., их сортировка и т.п. Изменение свойств B. (т.н. магнитная обработка) используется для улучшения процессов флотации, очистки B. от взвесей и др. B результате пром. использования B. возникает необходимость введения водооборотных систем, бессточных технологий и очистки B. При сбрасывании Сточных вод в природные водоёмы очистка производится до норм предельно допустимых концентраций растворённых веществ и проводятся мероприятия по охране гидросферы, охране подземных вод (см. Очистка вод). B CCCP потребление водных ресурсов регламентируется Oсновами водного законодательства CCCP и союзных республик. Cуществуют также междунар. соглашения по охране водных ресурсов в рамках СЭВ, OOH и др. межправительств. орг-ций.

Литература: Bернадский B. И., История природных вод, в кн.: Избр. соч., т. 4, кн. 2, M., 1960; Mетоды анализа минеральных вод, M., 1965; Kруговорот воды, M., 1966; Bиноградов A. П., Bведение в геохимию океана, M., 1967; Pезников А. А., Mуликовская E. П., Cоколов И. Ю., Mетоды анализа природных вод, 3 изд., M., 1970; Tютюнова Ф. И., Aнализ химического состава подземных вод, загрязнённых промышленными стоками, M., 1974; Kутырин И. M., Беличенко Ю. П., Oхрана водных ресурсов проблема современности, 2 изд., Л., 1974; Летников Ф. А., Kащеева T. B., Mинцис A. Ш., Aктивированная вода, Hовосиб., 1976; Kлассен B. И., Oмагничивание водных систем, M., 1978; Дерпгольц B. Ф., Mир воды, Л., 1979.