БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ВО)
Наименее минерализованными В. являются атмосферные осадки (в среднем около 10—20 мг/кг ), затем пресные озёра и реки (50—1000 мг/кг ). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17—22 г/кг ; Балтийское 8—16 г/кг ; Каспийское 11—13 г/кг ). Минерализация подземных В. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг , в засушливых условиях до 100 г/кг , в глубинных артезианских В. минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг ) и глубокозалегающих подземных В. (до 600 г/кг ).
В пресных В. обычно преобладают ионы HCO3 - , Са2+ и Mg2+ . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO4 2- , Cl- , Na+ и К+ . В высо-коминерализованных В. преобладают ионы Cl- и Na+ , реже Mg2+ и очень редко Ca2+ . Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных В.
Из растворённых газов в природных В. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика — в среднем в реках около 20 мг/л , в подземных В. ещё меньше, в океане около 4 мг/л . Исключение составляют В. болотные и нефтяных месторождений и В., загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих В., и соединения, образующиеся при распаде их остатков.
Первоисточниками солей природных В. являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca2+ , Mg2+ , Na+ , К+ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO2 , SO2 , HCI, NH3 и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с В., зависит состав В. Громадное значение для состава В. имеет и воздействие живых организмов (см. также Гидрохимия ).
Изотопный состав В. В связи с существованием двух стабильных изотопов у водорода (1 H и 2 H, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода (16 O,17 O и 18 O) известно 9 изотопных разновидностей В., которые находятся в природной В. в среднем в следующих соотношениях (в молярных %): 99,73 H2 16 O; 0,04 H2 17 O; 0,20 H2 18 O, 0,03 HD’16 O, а также 10-5 —10-15 %(суммарно) HD17 O, HD18 O, D2 16 O, D2 17 O, D2 18 O. Особый интерес представляет тяжёлая вода D2 O, содержащая дейтерий . В В. Земли находится всего13—20 кг «сверхтяжёлой» В.. содержащей радиоактивный изотоп водорода — тритий (3 H, или Т).
Историческая справка. Благодаря широкой распространённости В. и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Представление философов античности о В. как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (4 в. до н. э.) о четырёх стихиях (огне, воздухе, земле и В.), причём В. считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 в. в науке существовало представление о В. как об индивидуальном химическом элементе. В 1781—82 английский учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал В., взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 французский учёный А. Лавуазье , повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что В. есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье определил количественный состав В. В 1800 английские учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили В. на элементы электрическим током. Таким образом, анализ и синтез В. показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H2 O. Изучение физических свойств В. началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой В. как на причину плавучести льда. В 1665 голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру плавления В. за опорные точки шкалы термометра. В 1772 французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности В. лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы — килограмма . В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара В. от температуры. В 1891—97 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности В. от температуры. В 1910 американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 американские учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую В. Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул В., а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёных привлекает структура жидкой В. и водных растворов .
Физические свойства и строение В. Важнейшие физические константы В. приведены в табл. 1. О давлении насыщенного пара В. при разных температурах см. в ст. Пар водяной . О полиморфных модификациях В. в твёрдом состоянии см. в ст. Лёд . Тройная точка для В., где находятся в равновесии жидкая В., лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10-3 атм .
Многие физические свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H2 Te, H2 Se, H2 S, H2 O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти температуры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см 3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. В. способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при —30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.
Табл. 1. — Физические свойства воды
Свойство Значение Плотность, г/см 3 лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,9168 (0°С) жидкость . . . . . . . . . . . . 0,99987 (0°С) 1,0000 (3,98°С) 0,99823 (20°С) пар насыщенный . . . . . . 0,5977 кг/м 3 (100°С) Темп-ра плавления . . . . . 0°С Темп-ра кипения . . . . . . . 100°С Критич. темп-ра . . . . . . . . 374,15°С Критич. давление . . . . . . . 218,53 кгс/см 2 Критич. плотность . . . . . . 0,325 г/см 3 Теплота плавления . . . . . . 79,7 кал/г Теплота испарения . . . . . . 539 кал/г (100°С) Уд. теплопровод- ность, кал/(см·сек ·град ) лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,6·10-3 (0°С) жидкость . . . . . . . . . . . . 1,43·10-3 (0°С) 1,54·10-3 (45°С) пар насыщенный . . . . . . 5,51·10-5 (100°С) Уд. электропровод- ность, ом --1 ·см -1 лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,4·10-8 (0°С) жидкость . . . . . . . . . . . . 1,47·10-8 (0°С) 4,41·10-8 (18°С) 18,9·10-8 (50°С) Уд. теплоёмкость кал/(г ·град) жидкость . . . . . . . . . . . . 1,00 (15°С) пар насыщенный . . . . . . 0,487 (100°С) Диэлектрическая про- ницаемость лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74,6 (°С) жидкость . . . . . . . . . . . . 81,0 (20°С) пар насыщенный 1,007 (145°С) Вязкость, спз жидкость . . . . . . . . . . . . 1,7921 (0°С) 0,284 (100°С) Поверхностное натя- жение жидкой во- ды на границе с воздухом, дин/см 74,64 (0°С) 62,61 (80°С) Показатель прелом- ления (D — линия натрия) . . . . . . . . . . . . . . 1,33299 (20°С) Скорость звука в во- де . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,496 м/сек (25°С)Примечание: 1 кал/(см ·сек ·град) = 418,68 вт/( м·К); 1 ом -–1 ·см -–1 = 100 сим/м ;
