Вода — совершенно необыкновенное вещество. Прежде всего, потому, что это самое известное и вместе с тем самое загадочное явление. О воде, знакомой человеку с колыбели, написаны бесчисленные монографии и книги; ученые и сейчас продолжают изучать ее свойства. И, тем не менее, трудно найти другое вещество, в котором было бы спрятано столько труднообъяснимых качеств.
Необыкновенность физико-химических свойств молекул воды основана на их способности изменять структуру водородных связей.
Водородная связь — сила притяжения, возникающая между атомом водорода и электроотрицательными атомами, способными притягивать электроны, например, атомы кислорода, фтора, хлора. Атом кислорода в молекуле воды оттягивает от связанных с ним химической связью двух атомов водорода, валентные электроны и приобретает небольшой отрицательный заряд, а каждый атом водорода — небольшой положительный заряд. Возникший положительный заряд атома водорода притягивается к неподеленной паре электронов атома кислорода соседней молекулы воды. Эти силы притяжения, или водородная связь, удерживают соседние молекулы воды в непосредственной близости друг от друга. Водородная связь намного слабее обычной ковалентной связи, но она обусловливает многие аномальные, т.е. отклоняющиеся от общих закономерностей, свойства воды.
Эти связи легко разрушаются и быстро восстанавливаются. Между молекулами воды осуществляется интенсивное взаимодействие, в результате которого происходит быстрое изменение структурной решетки. Этим отличается структура молекул воды от других веществ, например, от твердых кристаллических тел, у которых существует устойчивая структурная решетка.
Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода — H2O. Все казалось бы просто. Но на самом деле есть 42 сочетания этих атомов в молекуле воды, и девять из них — устойчивы. Значит, обычная вода состоит из смеси девяти видов воды, имеющих различные свойства.
Эта бесцветная и безвкусная жидкость обладает совершенно уникальной способностью образовывать необыкновенную прочную поверхностную пленку. Более того, установлено, что чем чище вода, тем сильнее растет ее поверхностное натяжение. Так, способность воды к «смачиванию» за счет высокого поверхностного натяжения обуславливает так называемые капиллярные явления — подъем воды на значительную высоту по тончайшим трубочкам-капиллярам. Такими капиллярными каналами пронизана почва, что позволяет грунтовым водам подниматься вверх к корневой системе растений. Капиллярные силы позволяют растениям в период вегетации «выкачивать» из каждого гектара почвы тысячи тонн влаги.
Вода, как все вещества в природе, при охлаждении от +1000C до +40C уменьшается в объеме. При дальнейшем охлаждении до 00C ее объем увеличивается. Такое свойство типично только для воды. Ученые объясняют это тем, что при понижении температуры от 40C до 00C происходит перестройка ее внутренней структуры, жидкость превращается в лед, т.е. в кристалл, где молекулы образуют своеобразную решетку. При замерзании объем воды возрастает примерно на 11%. В связи с этим ее замерзание в замкнутом пространстве приводит к возникновению избыточного давления.
Этим объясняют разрушительную силу замерзающей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалывающую подчас многотонные глыбы и дробящую их в дальнейшем на мелкие осколки. С увеличением давления температура замерзания воды уменьшается. Эта зависимость у воды аномальна: у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Подобная аномалия воды очень важна. Даже без учета растворенных в ней солей вода на больших глубинах не замерзает, причем при температуре -30C это не случается даже на глубине около 4 тыс. м.
Так как максимальная плотность воды наблюдается при 40C, то лед оказывается легче воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы этого не происходило, то водоемы и водотоки промерзали бы зимой до самого дна, что было бы катастрофой для всего живого в них.
Теплоемкость воды в 3.3 тыс. раз выше теплоемкости воздуха. Иными словами, нагревая 1л. воды и 1л. воздуха на 10C, мы в первом случае затратим в 3.3 тыс. раз больше энергии, чем во втором. Климатическое значение этой аномалии трудно переоценить. Высокая теплоемкость делает воду главным аккумулятором солнечной энергии и распределителем ее на планете. Морские течения переносят тепло, накопленное летом в морях и океанах, из южных в северные районы земного шара, прогревая по пути воздух и воду, смягчая и выравнивая климат в этих широтах.
Являясь хорошим растворителем, вода сохраняет свою инертность. Благодаря этому свойству, живые организмы получают питательные важнейшие вещества в растворах в малоизмененном виде.
В воде могут растворяться твердые, жидкие и газообразные вещества. Абсолютно нерастворимых в воде веществ в природе нет: в ничтожных количествах этому процессу подвержены даже такие элементы, как серебро, золото, гранит, базальт и др.
В естественных условиях практически невозможно представить чистую воду. Она всюду обогащена примесями различных веществ. Дождевая вода имеет примеси веществ, находящихся в атмосфере. В воздухе над морями и океанами содержатся соли, характерные для морской океанической воды. Вода рек и озер обогащена частицами поверхностной почвы и горных пород.
По количеству ионов солей природные воды делятся на пресные, минерализация которых не превышает 1г/л; минерализованные, содержащие от 1 до 50 г/л минеральных солей, и рассолы, в которых отмечено свыше 50 г/л минеральных солей.
Пресные воды, в свою очередь, подразделяются на слабоминерализованные (до 200 мг/л растворенных солей), среднеминерализованные (200-500 мг/л) и сильноминерализованные (свыше 500 мг/л).
Общим для поверхностных вод озер и рек является тот факт, что основным компонентом растворимых солей является гидрокарбонат кальция, в меньшей степени — гидрокарбонат магния. Из анионов в существенно меньших количествах присутствуют хлориды, сульфаты и силикаты, а также нитраты, нитриты и карбонаты. Из катионов — натрий и аммоний.
По содержанию ионных примесей определяется классификация природных вод. Наиболее часто встречаются воды: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.