Лекція №2. Будова, класифікація та властивості води

План:

1. Будова води;

2. Класифікація вод;

3. Властивості води.

1. Будова води.

Рис. 1. Будова молекули води

Вода на Землі може існувати в трьох основних станах – рідкому, газоподібному і твердому і набувати різні форми, які можуть одночасно бути сусідами один з одним.

Хімічна формула води – Н₂О (оксид водню). Вона являє собою прозору рідину без запаху, смаку і кольору. Молекула води складається з одного атома Оксигену і двох атомів Гідрогену. Атоми Гідрогену розташовані в молекулі так, що напрямки до них утворюють кут 104,45° із вершиною в центрі атома Оксигену (рис. 1). Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,85 Дебая. При заміні атомів Гідрогену (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою – дейтерієва вода.

У окремо взятої молекули води є якість, яка виявляється тільки у присутності інших молекул: здатність утворювати водневі містки між атомами кисню та атомом водню (рис. 1). Властивість утворювати такі містки обумовлена наявністю особливої міжмолекулярної взаємодії, в якій істотну роль грає атом водню.

Водневий зв'язок визначає унікальні властивості води: у води дуже високі температури кипіння, плавлення і паротворення, оскільки потрібно затрачувати додаткову енергію на розрив водневих зв'язків. Тільки вода знаходиться у всіх трьох агрегатних станах. Інші речовини з схожою будовою і молекулярною масою, такі як H₂S, HCl, NH₃ в земних умовах є газами.

Молекула, приєднана до даної молекули води, сама здібна до приєднання подальших молекул. Цей процес можна називати «полімеризацією». Якщо тільки один з двох можливих зв'язків бере участь в приєднанні наступної молекули, а інша залишається вакантною, то «полімеризація» призведе до утворення зигзагоподібного ланцюга або замкнутого кільця.

2. Класифікація вод.

Класифікація вод – розподіл природних вод за хімічним, іонним, сольовим та газовим складами, мінералізацією, фізичними властивостями, наявністю специфічних компонентів тощо.

Виділяють наступні види класифікацій:

- класифікація вод за О.А. Алекіним;

- класифікація вод за В.А. Александровим;

- класифікація вод за В.В.Івановим та Г.А. Невраєвим;

- класифікація вод за В.Т. Малишеком;

- класифікація вод за мінералізацією;

- класифікація вод за хімічним складом.

Класифікація вод за О.А. Алекіним – розподіл природних вод на основі принципу поділу хімічного складу води за переважаючими іонами з поділом за кількісним співвідношенням між ними. Переважаючими вважаються іони з невеликим відносним вмістом у відсотках в перерахунку на кількість речовини еквівалента. За переважаючим аніоном природні води поділяють на 3 класи:

- гідрокарбонатних та карбонатних вод (більша частина маломінералізованих вод річок, озер, водосховищ та деякі підземні води);

- сульфатних вод (проміжні між гідрокарбонатними та хлоридними водами, що генетично пов'язані з різними осадовими породами);

- хлоридних вод (високомінералізовані води океану, морів, солоних озер, підземні води закритих структур тощо).

Кожен клас за переважаючим катіоном підрозділяється на три групи: кальцієву, магнієву та натрієву. Кожна група в свою чергу підрозділяється на чотири типи вод, що визначаються співвідношенням між вмістом іонів у відсотках в перерахунку на кількість речовини еквівалента:

І. НСО₃^->Ca²⁺+Mg²⁺;

ІІ. HCO₃^-<Ca²⁺+Mg²⁺<HCO₃^-+SO₄^2-;

ІІІ. HCO₃^-+SO₄^2-<Ca²⁺+Mg²⁺ або Cl^->Na⁺;

IV. HCO₃^-=0.

Також Алекін підрозділяє всі природні води на певні типи.

Води типу І – утворюються в процесі хімічного вилуговування вивержених порід або при обмінних процесах іонів кальцію та магнію на іон натрію. Найчастіше вони маломінералізовані, виняток складають води безстічних озер.

Води типу ІІ – змішані. Їх склад може бути пов'язаний генетично як з осадовими гірськими породами, так і з продуктами вивітрювання вивержених порід. До цього типу належить вода більшості рік, озер та підземні води з малою та помірною мінералізацією.

Води типу ІІІ – метаморфізовані. Вони включають будь-яку частину сильно мінералізованих природних вод або вод, що піддаються катіонному обміну іонів натрію на іони кальцію та магнію. До цього типу належить вода океанів, морів, лиманів (морських), реліктових водоймищ тощо. До IV типу вод, що характеризується відсутністю НСО₃^-, належать кислі води – болотні, шахтні, вулканічні або води, що дуже забруднені промисловими стічними водами.

Води типу IV – належать тільки до сульфатного та хлоридного класів, де не може бути вод типу І. Можливість існування природних вод інших класів (нітратний, боратний) не виключена, але надто малоймовірна. Більш реально переважання в деяких водах кремнієвої кислоти, але вона майже цілком недисоційована і не врівноважує катіонів. Виділення в окремий клас природних вод з переважанням органічної речовини неможливе, оскільки органічна речовина природних вод характеризується дуже складною сумішшю.

Для короткого позначення 27 видів природних вод застосовуються символи. Клас позначається символом, що виведений із назви відповідного аніона (С, S, Cl), а група – своїм хімічним символом, який проставляється у вигляді ступеня до символу класу. Належність до типу означає римська цифра в індексі до символу класу.

Отже, символи пишуться таким чином: С^ІІСа (гідрокарбонатний клас, група кальцію, тип ІІ). Крім того, для кількісної характеристики додається мінералізація води (внизу з точністю до 0,1‰(промілен)) та загальної жорсткості в перерахунку на молярну концентрацію речовини еквівалентів (зверху з точністю до цілих мілімолей в 1дм³); напр., С^ІІ_0,4Са⁵ означає, що вода гідрокарбонатного класу, групи кальцію, типу ІІ з мінералізацією 0,4 г/дм³ та жорсткістю 5 ммоль/дм³.

Класифікація вод за В.А.Александровим (служить для характеристики лікувальних мінеральних вод) – розподіл природних вод на п’ять класів у перерахунку на кількість речовини еквівалента аніону, вміст якого перевищує 12,5% (якщо вважати суму кількості речовини еквівалентів аніонів за 50%), кожен із яких поділяється за переважаючими катіонами.

Першими чотирма класами є гідрокарбонатний, сульфатний, хлоридний та нітратний.

П’ятий клас змішаний і включає природні води, що містять одночасно різні аніони в концентраціях більше 12,5%.

Крім цих класів, що поділяються за іонним складом, передбачається одночасний поділ природних вод за їх особливими властивостями:

А – води з активними іонами:

а) залізисті (Fe>10 мг/дм³);

б) арсенисті (Аs>1 мг/дм³);

в) йодо-бромисті (Вr>25 мг/дм³, J>10 мг/дм³);

г) кременисті (Н₂SiO₃>50 мг/дм³);

д) з іншими активними йонами (F, B, Li, Co та інші);

Б – газові води:

а) вуглекислі (СО₂>0,75 г/дм³);

б) сірководневі (Н₂S>10 мг/дм³);

в) радонові (Rn>13,4·10³ Бк/м³);

г) інші газові води (азотні, метанові та інші);

В – термальні води:

а) теплі (температура 20-37° С);

б) гарячі (температура більше 37° С).

Класифікація вод за В.В. Івановим та Г.А. Невраєвим – розподіл мінеральних вод на 97 типів підземних вод, які розрізняються за сольовим та газовим складом, мінералізацією, фізичними властивостями, наявністю специфічних компонентів. Автори класифікації пропонують виділити 8 основних бальнеологічних груп мінеральних вод:

1) без специфічних компонентів і властивостей – переважно хлоридні та сульфатні мінеральні води з мінералізацією від 2 до 150 г/дм³ та газовим складом, що охоплює азот та метан. Характерні типи: московський (Останкіно), іжевський, баталінський, староруський, ташкентський тощо;

2) вуглекислі мінеральні води, що містять високі концентрації діоксиду вуглецю (більш 500-1400 мг/дм³) і належать до гідрокарбонатного класу (за класифікацією О.А. Алекіна) з мінералізацією від часток грама до 90 г і більше в 1 дм³. Характерні типи: боржомі, нарзан;

3) сульфатні сірководневі, що містять сірководню не менше
10-11 г/дм³. Є велика різноманітність хімічного складу, мінералізації та концентрації сірководню – серед них зустрічаються гідрокарбонатні, сульфідні, хлоридні води. Мінералізація сульфідних вод може сягати гранично високих значень (до 535 г/дм³). Характерні типи: мацестинський, іркутський тощо;

4) залізисті, арсенисті мінеральні води та води з великим вмістом марганцю, алюмінію, міді, цинку та інших металів. Для віднесення мінеральних вод до залізистих концентрація заліза повинна бути 20 мг/дм³ і більше, до арсенистих – концентрація арсену 0,7 мг/дм³ та більше. Рудні та шахтові води часто належать до кислих залізистих сульфатних вод, які містять декілька грамів заліза в 1 дм³ і мають високу мінералізацію води – до 80 г/дм³. Одним з представників арсенистих вод є вода «полюстрово» (Санкт-Петербург);

5) бромисті та йодисті мінеральні води з високим вмістом брому (не нижче 25 мг/дм³) і йоду (не нижче 5 мг/дм³). Йодо-бромисті води зустрічаються в Україні, на Північному Кавказі, в Сибіру та Середній Азії;

6) мінералізовані води з високим вмістом органічних речовин. Типовим представником цієї групи мінеральних вод є вода «Нафтуся» (Карпати);

7) радонові мінеральні води, що містять більше 185 Бк/дм³ радону. До них належать мінеральні води Цхалтубо та П’ятигорська;

8) кременисті терми – гарячі води з температурою вище 35° С, що містять не менше 50 мг/дм³ кремнієвої кислоти. Мінералізація таких вод помірно висока (до 10-15 г/дм³). Ці води поширені на Північному Кавказі, Тянь-Шані, Камчатці.

Класифікація вод за В.Т. Малишеком – розподіл природних вод за їх поверхневою активністю на групи вод:

а) неактивних – всі тверді води (річкові, підруслові, тверді пластові, морські), які не здатні при контакті з нафтами нейтралізувати їх поверхневу активність;

б) малоактивних – пластові води нафтових родовищ та інші поверхневі води перехідного типу від твердих до лужних, які характеризуються незначним вмістом солей кальцію і магнію, здатних обмилювати частину органічних кислот;

в) активних – лужні пластові води, в т.ч. води нафтових родовищ, що містять поряд з лужними солями натрію і калію, також натрієві солі органічних кислот; активність лужних вод залежить як від концентрації лужних солей і кількості мил органічних кислот, так і від характеристики іонів, які зумовлюють лужність води (кількості іонів НСО₃^-, СО₃^2-, ОН^- та ін.);

г) високоактивних – концентровані лужні розсоли, які отримані в результаті випаровування лужних пластових вод у спеціальних басейнах або природних озерах; в результаті випаровування має місце перехід іонів НСО₃^- в іони СО₃^2-, що зумовлює швидше омилювання органічних кислот нафти, та збільшення концентрації солей органічних кислот.

Класифікація природних вод за мінералізацією – розподіл природних вод за мінералізацією (за сумою іонів, що встановлені у воді хімічним аналізом). О.А. Алекін запропонував такий поділ природних вод за мінералізацією:

- прісні – до 1‰;

- солонуваті – 1-25‰;

- солоні – 25-50‰;

- розсоли – вище 50‰.

Існують градації мінералізації води й у вужчих межах, щодо певних водних об’єктів або районів. Така класифікація дає змогу провести розподіл природних вод в загальних рисах, не враховуючи особливостей відносного іонного складу. Однак урахування мінералізації води необхідне, тому ця класифікація повинна доповнювати класифікації, що основані на інших принципах.

Класифікація вод за хімічним складом – розподіл природних вод за хімічним складом на класи за певною загальною ознакою, що складає систему.

Основою для систематизації в існуючих класифікаціях є різні ознаки: мінералізація, концентрація переважаючого компонента або груп їх, співвідношення між концентраціями різних іонів, наявність підвищених концентрацій будь-яких специфічних компонентів – газового (СО₂, Н₂S, СН₄ тощо) або мінерального (F, Ra та інші) складу. Відомі спроби класифікувати природні води згідно із загальними умовами, в яких формується їхній хімічний склад, а також за гідрохімічним режимом водних об’єктів. Іноді застосовують і класифікації, що основані на утворенні гіпотетичних солей.

3. Властивості води.

Вода – окис водню Н₂О – стійке в звичайних умовах з'єднання водню і кисню (11,19% водню і 88,81% кисню по масі), відповідно молярна маса води M=18. Чиста вода – прозора рідина без запаху і смаку.

У природі існують два стабільні ізотопи водню ¹Н і ²D, а також три стабільні ізотопи кисню: ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Їм відповідають дев'ять відомих ізотопних різновидностей води, з яких найбільш поширені в природі Н₂¹⁶О (99,73%); Н₂¹⁷О (0,04%); Н₂¹⁸О (0,2%); НD¹⁶О (0,03%). Особливий інтерес являє важка вода D₂О як сировина для виробництва термоядерних бомб і пальне для керованої термоядерної реакції. У гідросфері розсіяна надважка вода Т₂О, яка містить радіоактивний ізотоп водню – тритій. Вміст надважкої води у водах гідросфери оцінюється в 13/20 кг.

Найважливіші фізичні константи води наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Дата добавления: 2015-07-07