Вода и ее применение в современных технологиях

ВВЕДЕНИЕ… 2
Глава 1       Физическиесвойства воды. 5
1.1       Чистая вода. 5
1.2        Плотность. 7
1.3       Точки кипения изамерзания (плавления). 9
1.4       Теплота плавления. 11
1.5       Поверхностноенатяжение и прилипание. 12
1.6       Теплоемкость воды. 13
1.7       Испарение,транспирация, сублимация и конденсация. 15
1.8       Твердая вода. 16
1.9       Серебряная вода и ееприменение. 18
Глава 2       Химическиесвойства воды. 19
2.1       Характеристикаприродной воды. 19
2.2       Растворимость газов вводе. 20
2.3       Растворимость твердыхвеществ в воде. 21
2.4       Взаимодействия воды срастворенным в ней веществом. 24
Глава 3       Использованиеводы в современной технике и технологиях. 27
3.1       Морская вода в промышленности. 27
3.2       Морская вода всельском хозяйстве. 28
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ… 29
ВВЕДЕНИЕ
Хотя все в природе взаимосвязано и каждая де­тальважна, все же отдель­ные явления и предметы бо­лее существенны, а другие менеепри естественном равновесии как живой, так и не­живой материи. Ведь нельзя жепоставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за­кономеренвопрос: какое ве­щество  является  самым главным, самым важным для нас вокружающем материальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно иоднозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всякомслучае для нашей планеты Земля.
Если человек спустится в подземные пещеры, то онипоразят его сложнейшей системой многоэтажных помещений, ко­ридоров, обширныхзалов со сводчатыми потолками, причудливой колоннадой, то свешивающейся сверху,то растущей снизу. В этих подземных пустотах подчас встретятся вам журчащийручей или целое подзем­ное озеро, по которому свободно можно кататься на лодке.Какой архитектор построил этот сказочный подземный дворец? Природная вода!
Обратив свой взор к небу, человек  видит облака или тучи, тянущиеся надесятки, сотни, а иногда и на тысячи километров. Глядя, как легко они плывут ввоздушном океане, окружающем нашу планету, некоторые люди думают, что ониневесомые. Масса 1 км3 обла­ков около 2000 т, и состоят они опять-таки изприрод­ной воды.
Все люди хорошо знают текущие по суше водото­ки — ручейки, речушки, реки.Иногда они низвер­гаются с высоты десятков и сотен метров водопада­ми, намногие сотни метров наполняя воздух мельчай­шей алмазной пылью, переливающейсяв лучах солнца всеми цветами радуги. Иногда образуют мощные пенящиесястремнины, вытачивающие в ска­лах причудливые формы. Крупные водотоки на сотникилометров пропиливают даже в плотных породах широкие, до десятка километров, иглубокие, до многих сотен метров, долины. Все это делает сила природной воды.
Но если обратиться к самым страшным из из­вестных нам катастроф, которыепереживали наша планета за геологическое время, а человечество за время своего,правда, короткого существования, та­ким, как тайфуны, смерчи, цунами, земле- иморетря­сения, извержения вулканов, когда нередко за немно­гие часы, а то иминуты уничтожались целые города и гибли сотни тысяч людей, и если мыпопытаемся -вскрыть механизм природного аппарата, который вы­звал эти ужасныекатастрофы, то увидим, что и в этом случае принимала участие природная вода!
Большая часть поверхности нашей планеты, около 71%, покрыта Мировымокеаном, составляющим 97% всех поверхностных вод Земли и около половины всехвод литосферы. Глубина Мирового океана до­стигает 11 км. Если срезать сушу изаполнить ею дно океанической чаши, то вся планета покроется слоем водыглубиной около 3 км.
Почва и все породы, слагающие литосферу (зем­ную кору), также всегдасодержат воду. Это утверждение справедливо не только для увлаж­ненных районов.Оно достоверно даже для таких мест, где годами не выпадает ни одной капли дож­дя.Это справедливо и для всех участков величай­шей «безводной» пустыни—Сахары. Дачто Саха­ра! На нашей планете нет ни одного естественного предмета, тела,пылинки, которые были бы лишены воды. Все живое и неживое содержит ее. Вогненной магме, изливающейся из жерл вулканов, также есть вода, причем внемалом количестве.
Да и человек,  на 70% состоит из воды. Чего больше всего в нашей твер­дойи жидкой пище — в овощах, мясе, рыбе, хлебе, крупе, молоке? Природной воды! Скаким веществом впервые знакомится новорожденный? С водой, в кото­рой егокупают. Даже в первом вздохе новорожденный получает воду, которая всегдасодержится в воз­духе. Где лучше всего во время отдыха чувствует себя здоровыйчеловек? Конечно, во время купанья в теп­лой морской, озерной или речной воде.Недаром не­которые биологи предполагают, что колыбелью жизни на Земле былимелководные лагуны, даже и в том случае, если жизнь зародилась не на планетеЗемля, а была занесена на нее из межпланетного простран­ства в форме спородноклеточных организмов.
Итак, кругом, всюду и везде, всегда и во всем,— природная вода! Воду сполным правом можно наз­вать вездесущей. Это не поэтическая гипербола.
Действительно, человечество во все времена стре­милось к познанию этогоудивительного вещества — воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так,еще шесть тысячелетий назад у шумеров  существо­вали космогоническиепредставления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба,а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».
В Месопотамии, в Вавилоне (в переводе с аккад­ского—врата бога),расположенном на месте более древнего шумерского города Кадингирра, возниклапоэма «О сотворении мира», в которой задолго до появления Библии описанывсемирный потоп и борьба божества, охраняющего мировые воды, с чудовищемпреисподней.
Тысячелетием позже древние египтяне согласно господствовавшей в их странекосмогонической теории утверждали, что вначале не было ни неба, ни земли;окруженную густым мраком Вселенную напол­няла первичная вода.
Две тысячи шестьсот лет назад древнегреческий философ Фалес Милетскийсчитал воду первоисточни­ком всего сущего.
В средние века алхимики приписывали воде совер­шенство, обозначая ее ввиде опрокинутого равносто­роннего треугольника Δ. «Тела не действуют,если не растворены» — одно из основных положений алхимии, не утерявшее вомногом справедливости и поныне.
Крупный немецкий профессор Ф. Ауэрбах писал:
«Самое удивительное и самое лучшее — это вода». Американские физик Дж.Дэй и химик К. Девис на­зывали воду зеркалом науки. Перефразируя это удач­ноеутверждение, автор с неменьшим основанием может сказать, что отношение к воде —зеркало уче­ного-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней от­носится, темвыше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на то,что без воздуха жизнь возможна (анаэробы), а без воды ее нет.
Известный французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери сказал о природнойводе следующее: «Нельзя сказать, что ты необходима для Жизни, ты сама Жизнь…Ты самое большое богатство в мире».
Один из крупнейших специалистов по физической химии воды Э. X. Фрицман всвоей классической мо­нографии о природе воды [1935] утверждал: «Ни одно из природныхвеществ не играет такой выдаю­щейся и существенной роли на поверхности земногошара и в прилегающих слоях, как вода… наука и тех­ника подтвердили староеосновное положение челове­чества: вода есть то, из чего происходит все, другимисловами название aqua  вполнесебя оправдывает:  aqua omnia sunt[1935, с. 5, 157].
Лучше всех из современных мыслителей значение воды определил крупнейшийученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минера' лог,академик В. И. Вернадский: «Вода стоит особня­ком в истории нашей планеты. Нетприродного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных,самых грандиозных, геологических про­цессов. Нет земного вещества—минерала,горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество…ею проникнуто и охвачено» [1960, с. 16].
Глава 1    Физическиесвойства воды.
Среди всех веществ, изучаемых физиками и
физико-химиками, вода во многих
отноше­ниях является самым трудным.
В. В. Шуленкин, 19681.1   Чистая вода.
Разумеется,   под чистой водой мы подразумеваем не санитарно    безупречную жидкость, а воду, отвечаю­щую по составу привычной нам со школьнойскамьи химической формуле Н2О. При этом относительная атомная массаводорода, входящего в состав соедине­ния, равна 1, а кислорода 16, никакихдругих веществ в форме растворенных или взвешенных примесей вода не содержит.Такой окиси водорода, состоящей из двух весовых частей водорода и шестнадцативесо­вых частей кислорода, в природе в чистом виде не существует, да иискусственно получить такое веще­ство даже в современных лабораториях крайнетруд­но, а если и возможно, то только на очень короткий отрезок времени,измеряемый секундами. [3]
Природная вода, где бы она ни находилась и в ка­ком бы агрегатном состоя­нии(газообразном, жидком или твердом) ни была, всегда представляет собой раствордругих веществ, газообразных, жидких или твердых, а также содер­жит подчас внезначительных количествах другие воды (с другими относительными атомнымимассами водорода и кислорода и другими свойствами). Стало быть, вода — понятиесобирательное./> />
Что же представляет со­бой та идеальная «чистая» вода Н2О сфизической точки зрения? Как и боль­шинство веществ, вода состоит из молекул, апослед­ние из атомов. Структура атома следующая: вокруг положительно заряженногопротонного ядра на опре­деленных уровнях по различным орбитам движутсяотрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Числоэлектронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго опреде­ленное.Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атомакислорода — две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью.Образование молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода(рис. 1). Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми)электронов наружной оболочки для ее устойчивости.
Можно было бы предполагать, что атом кислоро­да и два атома водорода вмолекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°.Однако в действительности он значительно меньше — всего 104° 27' (рис.2), что приводит к не­полной компенсации внутримолекулярных сил, избы­токкоторых обусловливает асимметрию распределе­ния зарядов, создающую полярностьмолекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем других веществ,обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя уводы весьма велика и определяет интенсивность растворе­ния водой различныхвеществ. При 0°С диэлектриче­ская проницаемость воды (в твердой фазе) состав­ляет74,6; с повышением температуры она падает. Так, при 20° С диэлектрическаяпроницаемость воды равна 81.
/>
Многочисленные схемы строения молекулы воды являютсягипотетическими, построенными на косвен­ных наблюдениях приборами некоторыхпризнаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, чтони атомы, ни молекулы не имеют четких границ размеров орбит, по которымдвижутся электроны, образующие по сути дела электронное об­лако, зависящее отэнергетического состояния элект­рона (рис.2). 1.2   /> />
Плотность.
Несмотря на то что вода — вещество, принятое в качестве  эталона   меры плотности, объема и т. д. для других веществ, сама вода, как этоне странно, является самым аномаль­ным среди них. Этих удивительных аномалий уводы много, рассмотрим лишь основные из них.
Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличиваютсвой объем и умень­шают плотность. У воды наблюдается то же самое, заисключением интервала от 0 до 4°С, когда с воз­растанием температуры объем водыне увеличивает­ся, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечаетсяпри 4°С (рис. 3). Таким образом, для воды зависимость между объемом итемпературой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), адвузначна. Например, при 3 и 5°С мас­са воды занимает один и тот же объем, также как и при 0, 2 и 8 °С и т. д. Несмотря на указанную ано­малию, вода служитэталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.
Что же будет происходить с объемом воды при дальнейшемпонижении температуры? Оказывается, что ниже 0°С он продолжает увеличиваться,но толь­ко при условии переохлаждения. Однако переохлаж­дение требуетисключительных условий: полной непо­движности воды и отсутствия центровкристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.) (рис. 4).
/>
Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлажденадо минус 70 °С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введениильдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращается в лед итемпература ее под­скакивает (на 70 °С) до 0°С. Вода также может быть доведенадо 150 °С без закипания. При вве­дении в такую перегретую воду пузырька воздухаона мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100°С.
При замерзании объем воды возрастает внезапно примерно на11% и так же внезапно, скачком, умень­шается в обратном направлении при таяниильда при
превращении ее в лед происходит расширение объема, чтоприводит к возникновению избыточного давле­ния, достигающего, как  показываютнаблюдения, 2500 кгс/см2. Именно этим объясняются как разру­шительнаясила замерзающей воды в замкнутых пус­тотах, трещинах горных пород,откалывающая подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкиеосколки, так и страшные взрывы наледей, описание которых будет приведено ниже,а также разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.
Здесь следует сделать одну существенную оговор­ку. Всерассмотренные выше процессы происходят при указанных температурах лишь приусловии абсолют­ного давления, равного 1 атм. С увеличе­нием давлениятемпература замерзания воды пони­жается примерно на 1 °С через каждые 130 атм.Так, при давлении 500 атм замерзание наступает при температуре минус 4 °С, апри давлении 2200 атм — при минус 22 °С. Эта зависимость для воды аномаль­на,так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзанияповышается. По­добная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учетарастворенных в воде солей на больших глубинах в океане вода не замерзает,например при температуре минус 3°С она не замерзнет даже на глубине около 4000м, а на больших глубинах тем более.
С повышением температуры жидкой воды ее плот­ностьпонижается: на интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точкикипения воды 100 «С—на 4% (от 1 до 0,95838).
С повышением минерализации воды (т. е. коли­чества содержащихсяв ней минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеетмаксимальную плотность. Так, на поверхности Миро­вого океана плотность воды1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Таким обра­зом,установившееся мнение о практической несжи­маемости воды справедливо только длясравнительно малых давлений. Если бы вода была совершенно не­сжимаема, уровеньокеана поднялся бы на 30 м.
В этом случае большая часть Ленинграда, например, была бызатоплена.
Важным обстоятельством в природе является то, чтомаксимальная плотность воды, как отмечалось выше, наблюдается при 4 °С, а ледоказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверх­ности. Если быэтого не было, то водоемы и водо­токи промерзали бы зимой до самого дна, чтобыло бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенностьводы при некоторых усло­виях имеет исключения. Речь идет о возможностиобразования донного или внутриводного льда, о чем подробнее будет сказано вразделе о поверхностных водах.1.3  Точки кипения и замерзания (плавления).
Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимостиот давления: с увеличением давления она возрастает (рис. 5). Это свойство водыраньше использовалось для определе­ния высоты местности в горах. Температуракипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.
Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания(плавления) воды, с повыше­нием давления она падает (но только до давления 2200атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти:при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380 атм—при 0°С, при16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В последних двух случаях мы ужеимеем горячие льды. Возможно ли существова­ние в земных недрах сочетания такихтемператур и давлений? В свободно циркулирующих в породах Земли водах,безусловно, нет, так как даже на гра­нице нижней литосферы и верхней мантии,называе­мой границей Мохоровичича (как мы увидим из даль­нейших глав), гдедавление приблизительно 10000 атм, температура никак не может быть равна 30»С,
/>
а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего льдаздесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исклю­чаютсядавления выше 6000 атм, которые необходи­мы для образования горячего льда.
При давлении 1атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения воды (соответственно 0 и100°С). Если взять ряд соединений водорода с эле­ментами группы Via периодической системы Мен­делеева — Н2Те, H2Se H2S и H2O — с учетомих относительной молекулярной массы, тоокажется, что точки замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность,общую для трех других соединений, у которых чем больше относительнаямолекулярная масса, тем выше точки кипения и замерзания. Точ­ка замерзания водыдолжна была бы находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительностиона приходится на ±0 °С. То же самое можно ска­зать о точке кипения воды,которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).
При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительнойтемпературе. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по немугаз (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода. Объеммолекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно больше, чтоприводит к понижению внутреннего давления и к повышению температуры замерзанияот нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед» содержит много газа(газогидрат).
Сам факт существования воды в обычных для земной поверхноститермодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и газообразной)делает это вещество крайне удивительным и необык­новенным.1.4   Теплотаплавления.
 Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, неочень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока — около80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа — 6, серы—9,5и свинца—5,5 кал/г). Как же проявля­ется эта аномалия? Лед при давлении 1 атмможет иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Каза­лось бы, чем нижетемпература льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы растопить его.Этот вывод как будто настолько естествен, что не­посвященный в физику теплавряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод не бесспорен.Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота плавления составитне 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и довольно неожи­даннаяаномалия. С каждым градусом понижения температуры льда теплота плавленияуменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это тем, что удельнаятеплоемкость у льда меньше, чем у воды.
Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз выше, чемскрытая теплота плавления. Чтобы превратить жидкую воду с температурой 100 °С впар с такой же температурой, нужно затра­тить поистине гигантскую энергию, в товремя как '/з этой энергии вполне достаточно, чтобы превратить в пар спирт, и'/в, чтобы жидкую ртуть сделать парообразной. Можете теперь себе представить,какой громадной внутренней энергией в скрытой форме об­ладает водяной пар, иэто только при 100 °С! А если его нагреть до 500 °С, то 1 г его потенциальнобудет содержать порядка 1000 кал тепла. К сожалению, реализовать эту скрытуюэнергию практически очень трудно.
 Как известно, пар используется в паровых машинах, которых становится всеменьше и меньше из-за исключительно низкого (ниже) к. п. д. и не только в силуневозместимых естественных потерь на тре­ние, излучение, теплопроводность идругих, но и по причинам малой разности температур между граница­мисуществования воды, а также малого контраста между температурой окружающеговоздуха и точкой парообразования. Эти обстоятельства в настоящее вре­мязаставляют заменить паровые двигатели двигате­лями внутреннего сгорания,электрическими и другими.
Что же касается скрытой теплоты парообразова­ния, то тут аномальности ненаблюдается. Чем хо­лоднее жидкая вода, тем больший приток тепла нужен ей,чтобы обратить ее в пар. Так, при 0°С теплота парообразования 587 кал, при 50°С — 568, а при 100 °С — 536, при 150 °С — 446 кал.1.5   Поверхностноенатяжение и прилипание.
Поверхностное натяжение — это способность пограничных молекул воды, атакже твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). Наповерхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения, дляразрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать, непогружаясь в воду, предметы, кото­рые в 8 раз и более тяжелее воды, напримерлез­вие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение воды при 18°Ссоставляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните: для спирта оносоставляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см). Только ртуть имеет ещеболее высокое по­верхностное натяжение — 500 дин/см.
Теоретически установлено, что для разрыва стол­бика чистой воды диаметром2,5 см потребуется при­ложить усилие 95 те. Поскольку, как уже упоминалосьвыше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных условияхполучить ее почти невоз­можно, то в условиях эксперимента с не совсем чистойводой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см2 потребуется усилиев пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.
У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание» (адгезия),которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах), где вода
/>
Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких трубкахсочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом слое соспособностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В результате вкапилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного уровня воды. У рту­ти,обладающей более высоким поверхностным натя­жением, адгезия отсутствует,поэтому ртуть в капил­лярной трубке имеет не вогнутую, а выпуклую поверхность.Необходимо заметить, что к поверхно­стям, покрытым жировым слоем, напримерпарафи­ном, вода не прилипает и мениск ее в капилляре, подобно мениску ртути,будет не вогнутый, а выпук­лый.
Существует понятие капиллярной постоянной, ко­торая равна произведениювысоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для чистойводы линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижениикритической (см. ни­же) становится равной нулю. Предельная высота капиллярногоподъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в мелком 1,2 м, а вчистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для крупных капилляров—5—10суток, а для мелких до 16 месяцев. 1.6   Теплоемкостьводы.
Остановимся на следу­ющей аномалии воды, которая связана с ее теплоем­костью.Теплоемкость воды сама по себе не аномаль­на, но она в 5—30 раз выше, чем удругих веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная теплоемкость сповышением температуры возрастает. У воды же удельная теплоемкость в ин­тервалетемператур от 0 до 35 °С. падает, а затем начинает возрастать (рис. 6).
Удельная теплоемкость воды при 16 °С условно принята за 1 и служит, такимобразом, эталоном меры для других веществ. Как и плотность, удельнаятеплоемкость воды в зависимости от температуры не однозначна, а двузначна.Например, при 25 и при 50 °С она одинакова — 0,99800 кал/(г-°С). Теплоем­костьльда на интервале от 0 до минус 20 °С в сред­нем 0,5 кал/(г-°С), т. е. в двараза меньше, чем у
 Только водород и аммиак обладают большей, чем вода, теплоемкостью.жидкой воды. Удельная теплоемкость спирта и гли­церина—0,3 (в три раза меньше,чем у воды), железа—0,1, платины—0,03, дерева—0,6, а ка­менной соли и песка—0,2кал/(г-°С). В связи со сказанным выше становится попятным, почему приодинаковом получении солнечного тепла вода в водо­еме нагреется в b раз меньше, чем сухая песчаная почва на берегу, но при этомвода во столько же раз дольше будет сохранять тепло, нежели песок. Любопытно,что теплоемкость воды в переохлажден­ном состоянии (например, при — 7,5 °С) на2% выше, чем при той же температуре, но уже в кри­сталлическом состоянии.
Мы ежед­невно слышим по радио сообщения об атмосферном давлении воздуха(наряду с сообщением о темпера­туре, влажности, силе ветра и т. д.), нормальноезначение которого для высоты Ленинграда над уров­нем моря 760 мм рт. ст., а дляМосквы, лежа­щей выше уровня моря на 124 м, 758 мм рт. ст. Мы все привыкли ктому, что при падении давления ни­же нормы можно ожидать дождя, а при подъемевыше нормы – сухой погоды. Хотя с метеорологической точки зрения сухая ивлажная погода определяются комплексом условий, а не одним только давлением.Многие люди, вероятно, помнят, что на старых анероидах помимо шкалы с делениямина миллиметры ртутного столба, были надписи: «великая сушь», «сушь», чтоотвечало дав­лению, превышающему норму, для данной местности, «переменно» — длянормального давления, «дождь», «буря» — для давления ниже нормы.
Вдумайтесь в сказанное. Ведь конденсация водя­ных паров в жидкость позаконам физики должна происходить при увеличении давления, а при его па­дениипроцесс должен протекать в обратном напра­влении, т. е. жидкость должнапревращаться в пар. В чем же здесь дело? Для ответа нам придется рас­смотретьособенности удельной теплоемкости паров воды. При давлении 1 атм и температуре100 °С из 1 л воды образуется 1600 л пара. Для определе­ния удельнойтеплоемкости пара ограничим его со­стояние двумя случаями: пар находится либо взам­кнутом объеме, либо в сосуде, позволяющем пару расширяться при передаче емутепла при сохранении постоянного давления. В последнем случае темпера­тура иобъем меняются.
Теплоемкость пара для принятых условий разная, и эта разница весьмасущественна, причем не только для воды, но и для многих других веществ,например у ртути до 20%. Но при этом у воды обнаруживается аномалия: при 4°Степлоемкость в обоих случаях одинакова и лишь с повышением температуры онастановится разной. При этом минимальная теплоем­кость наблюдается припостоянном давлении и при температуре 27 °С, а при постоянном объеме такогоминимума не наблюдается и с повышением темпера­туры теплоемкость постепенноснижается. Заметим, что одна и та же масса воды, находящейся в паро­образномсостоянии, может быть нагрета в два-три раза легче, чем та же масса жидкойводой. Еще раз напомним, что объемы этих двух фаз воды отно­сятся друг к другу,как 1600: 1.
А теперь рассмотрим эти же два случая (определе­ние теплоемкости припостоянном объеме и при по­стоянном давлении) для насыщенного пара. В приня­тыхнами условиях возможно изменение температуры и превращается в мельчайшиекапельки тумана.
Проведем с насыщенным паром, следующий опыт. Сосуд снасыщенным паром защитим от случайного поступления или потери тепла(теплоизолируем). При изменении давления в сосуде, казалось, можно ожи­датьодин из двух случаев: либо при повышении дав­ления (и уменьшении объема пара)он станет перена­сыщенным с образованием тумана, либо в результате увеличениятемпературы он перегреется. Что же надо сделать, чтобы привести пар в первичноесостояние? При перенасыщении его следует дополнительно на­греть (т. е. сообщитьположительное количество тепла), при недонасыщении нужно от него отнять тепло,охладить (т. е. сообщить ему отрицательное количество тепла). В первом случаетеплоемкость будет положительной, а во втором отрицательной. И вот вдействительности оказывается, что теплоем­кость насыщенного водяного пара привсех темпера­турах и давлениях всегда отрицательная!
Этот поразительный и малопонятный результат эксперимента имеет место нетолько в лабораторных условиях, но и в природе. При повышении давления водяной газ(пар) не образует тумана и остается прозрачным, а при разрежении туманобразуется. Правда, последнее происходит при наличии центров конденсации(пылинок), но их в атмосфере всегда достаточно.
Помимо описанных аномалий у этого удивитель­ного вещества, каким являетсявода, существуют и другие аномалии (например, аномальная дисперсия, рассеяние,в области электрических и световых лу­чей и др.), но на них, чтобы не утруждатьчитателя, мы останавливаться не будем.1.7   Испарение,транспирация, сублима­ция и конденсация.
Общеизвестно, что ис­парение—переход вещества изжидкого или твер­дого состояния в газообразное (в пар). Обычно под испарениемжидкости понимают превращение ее в пар, а испарение твердых тел называетсясублима­цией (или возгонкой). Обратный процесс, т. е. пере­ход вещества изгазообразного состояния в жидкое, именуется конденсацией. Испарение воды споверх­ности растений носит название транспирации.
При испарении молекулы переходят из жидкости в пар, преодолевая силымолекулярного сцепления в жидкости. Процесс испарения протекает изотерми­чески,т. е. при постоянной температуре. Скорость испарения определяется массойжидкости, испаря­ющейся за единицу времени с единицы поверхности. Одной изколичественных характеристик процесса испарения воды в атмосферу являетсядефицит влажности, определяемый разностью между предельной упругостью водяногопара для данной темпера­туры и фактической упругостью.
Если воздух в помещении полностью насыщен парами воды или если изнаполненного до краев стакана вода не убывает, но и не прибывает, это значит,что испарение отсутствует, т. е. мы имеем состояние динамического равновесия.
До последнего времени считалось, что лед может переходить в пар, минуяжидкую фазу, т. е. Происходит процесс сублимации. Однако последние болеедетальные исследования показали, что это далеко не так. В действительностиповерхность льда покрыта даже при отрицательных температурах переохла­жденнойквазижидкой пленкой связанной воды. Та­ким образом, испаряется не лед, анепрерывно по­полняющаяся пленочная жидкая вода за счет подплавления льда. Этообстоятельство имеет очень большое народнохозяйственное значение при строи­тельствесамых разнообразных подземных хранилищ в условиях многолетнемерзлых грунтов.1.8   Твердая вода.
Когда   произносят  слово «вода», то подразумевают обычно, что речь идето жидкости. Но вода часто находится в твердом сос­тоянии — в виде льда.
В первой четверти нашего века немецкий химик Г. Тамман и американскийфизик П. Бриджмен вы­явили шесть разновидностей льда, различающихся давлениямии температурами (рис. 7):
Лед I — обыкновенный лед, существующий при давлении до 2200аты, устойчивый в нормальных условиях, при дальнейшем повышении давления (выше2200 атм) пе­реходит в разновидностьII.
Лед II-суменьшением объема на 18—20% тонет в воде, его плотность 1,2 г/см3(при 0°С), очень неустойчив, лег­ко переходит в модификацию III.
Лед III — такжетяжелее воды (его плотность больше плотности льда I, из которогонепосредственно может быть полу­чена описываемая модификация, на 5%).
Лед IV -легчеводы, существует при небольшом давлении и температуре немного ниже О «С,неустойчив и легко переходит в разновидность I.
Лед V — можетсуществовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар, его плотность выше плотности льдаIII на 5,5 и воды на 6%.
Лед VI -может быть получен непосредственно из воды при тем­пературе60 °С и давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификациильда 76 „С), его плотность выше плотности льда V на 4 и воды на 6%./> />
Эти шесть модификаций льда образуют резко раз­личные полимерные группы. В однугруппу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I, IV), в другую—болеетяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой группы сокращаются вобъеме, а второй, наоборот, увеличиваются. Разли­чия между модификациями льдаобусловлены не хи­мическими свойствами, а молекулярным строением льда.
По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторыхслучаях так называемого донного льда, о котором подробнее будет идти речь вдальнейшем.
Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях поплотности близки к плот­ности обычного льда (различия в плотности обычно непревышают 6%). Однако в астрофизическом цент­ре университета в Толедо (США,штат Огайо) амери­канскими учеными А. Дальсом и А. Венджером была открытасверхплотная модификация льда при темпе­ратуре ниже минус 173 °С и давлении (6—8) -Ю-3 мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см3(по плотности он близок к гнейсу — 2,4 г/см3). Этот лед аморфен иможет играть большую роль в физике планет и комет.
Замерзание природной воды зависит от темпера­туры, давления,минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так, прикон­центрации раствора поваренной соли NaCI  5 г/л онзамерзнет при минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус7,44 °С. Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор отзамерзания, происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, придобыче соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегосяжидкого раствора повышается.
Каждой, температуре соответствует вполне определенная концентрацияраствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадет доминус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после чегораствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и соли,называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зу­бова [1945], лед образуетсяиз морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5; при 100 г/л — при6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.
Лед очень прозрачен для солнечной энергии, осо­бенно дляультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошопропускает сол­нечное излучение. Но даже самые тонкие (1—2мм)слоильда совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земногоизлучения. Эта особенность имеет большое значение для нагре­вания воды подольдом. Теплопроводность льда довольно высокая—53·10-4 кал/ (см · сек· °С); для срав­нения: теплопроводность воды—14, а воздуха— 0,57 кал/(см · сек· °С).
излучений и т.д.1.9   Серебряная водаи ее применение.
Еще 2500 лет назад пер­сидский царь Кир во время походовпользовался водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В древней Индии дляобезвреживания воды от патогенной микрофлоры в нее погружали раска­ленное серебро.Многовековой опыт показал, что ионы серебра подавляют размножение многих бак­терий.
Впервые научные наблюдения над серебряной во­дой в конце XIX в. провелшвейцарский ботаник К. В. Негели. С тех пор во многих странах было выполненозначительное число работ по изучению эффективных способов ее получения иприменения, выпущена обильная литература о серебряной воде. В нашей странеразработаны и выпущены в продажу специальные приборы для получения в домашнихусловиях  электролитического  раствора  серебра, Серебряная вода использоваласьпри полетах космо­навтов. В Японии и в США серебро применяется дляобеззараживания воды в плавательных бассей­нах, а в Китае — для производстваминеральных и фруктовых вод. Серебряная вода может применяться дляконсервирования сливочного масла, маргарина, меланжа, молока, микстур и дажедля ускорения процессов старения вин и улучшения их вкусовых качеств.
Электролитический раствор серебра служит эф­фективным средством прилечении воспалительных и гнойных процессов, желудочно-кишечных заболева­ний,язвенной болезни, холецистита, воспаления глаз, носоглотки, ожогов и т. п.Онприменяется также в ветеринарии для профилактических и лечебных це­лей.
Глава 2    Химическиесвойства воды.2.1   Характеристикаприродной воды.
До сих пор мы рассматри­вали особенности «чистой»воды, не существующей в природе. Теперь мы попытаемся дать пока краткуюхарактеристику природной воды, в которой всегда растворены различныегазообразные и твердые (а подчас и жидкие) вещества, создающие громадноеразнообразие (по минеральному составу) природных растворов.
По содержанию в 1 л воды растворенных веществ различают три группы вод:
Таблица 1
Содержание в 1л. воды растворенных веществ Кол-во растворенных веществ, г Пресные Менее 1 Минерализованные 1-50 Рассолы Более 50
В воде могутраствориться все элементы периодической системы, включая и такие почти нерастворимые, как кремень (например, кварц – двуокись кремния SiO2).Все зависит от температуры, давле­ния и присутствия в растворе другихкомпонентов. Природные воды могут существовать в температур­ных пределах отблизкой к абсолютному нулю (минус 273 °С, или 0°К) до примерно 2000 °С; могутиспытывать давление от тысячных долей атмосферы (единицы миллиметров ртутногостолба или единицы миллибар) до десятков тысяч атмосфер (порядка 30—40кбар).