ВОДА В ЛИТОСФЕРЕ Структура и физические свойства воды

Вода представляет собой весьма сложное в структурном отношении химическое' соединение кислорода (88,89 %) и водорода (11,11%).
Общей формулой Н20 объединяется смесь, образованная различными изотопами кислорода и водорода.

Кроме обыкновенной воды, состоящей из водорода с массой один ОН - протай) и кислорода 06О), известны соединения водорода с массой два (Д - дейтерий) и массой три (Т - тритий), а также с тяжелыми изотопами кислорода (170 и 180). Это создает возможность существования девяти стабильных изотопных молекул воды (таблица 47).
Таблица 47
Изотопные разновидности воды в молекулярной концентрации

Изотопы воды	%	Изотопы воды	%
Н2'Ю	99.73	д/о	2,310-
н2,8о	0,20	д2,8о	4,4* 10-9
нд/о	0,03	д2,70	0,910
н2\|7о	0,04	НД'Ю	5,7*10'5
		нд,7о	1,2*10-'5

Доля тяжелой воды, объединяющей соединение Д2,еО и НД1бО, составляет в среднем 1/6800 объема воды, или 0,15 мг на один литр воды. Тяжелая вода отличается от обыкновенной по физическим свойствам: замерзает при 3,88 °С, кипит при 101,42°С, наибольшую плотность имеет при 11,6°С, ядовита для организмов. Тяжелая вода испаряется медленнее, чем обыкновенная, и поэтому в разных термодинамических условиях формируется соответствующий им изотопный состав воды, что дает возможность установить ее генезис.
Молекула воды в общепринятом представлении состоит из двух одновалентных ионов водорода и одного двухвалентного иона кислорода. Ионы водорода и кислорода расположены в вершинах равнобедренного треугольника, так что отрицательный ее заряд сосредоточен в вершине треугольника, образованного ионами кислорода, а положительный - у основания треугольника. Водород в этой структуре образует как обычные ковалентные и ионные связи, так и присущие только ему водородные связи. Водородная связь, по выражению А.И. Перельмана, «квазихимическая», значительно слабее ионной и ковалентной связей (17-33 кДж/моль против сотен кДж/ моль), но сильнее межмолекулярных (ван-дер-ваальсовых) связей. Водородная связь особенно характерна для структуры льда, но она полностью не исчезает и в жидкой воде, постепенно ослабляясь при повышении температуры. В результате структура воды в зависимости от термодинамических условий меняется в широких пределах, что определило многие аномальные свойства воды. Вода как химическое соединение в ряду гидратов (H2S, H2Se, Н2Те и др.) должна была бы замерзать при температуре -90°С, а замерзает при 0°С, кипеть при температуре -70°С, а кипит при 100°С. Для воды характерна аномально высокая теплоемкость. Она выше, чем у воздуха, в 3300 раз. Как результат, вода является главным аккумулятором солнечной энергии.
От других жидкостей вода отличается по скрытой теплоте плавления и поверхностному натяжению. Большое значение имеет диэлектрическая проницаемость воды, характеризующая полярность молекулы, т.е. неравномерность распределения в ней электрических зарядов. Вода имеет высокую диэлектрическую постоянную, равную 81 при комнатной температуре (у этилового спирта - 25, у уксусной кислоты - 6 и т.д.). Высокая диэлектрическая постоянная определяет большую растворяющую способность воды. Взаимодействие между ионами воды в 80 раз слабее, чем в кристаллах. Этим объясняется легкая ионизация растворенных веществ, таких как Na+, Са2+, С1~ и др. Вода в ряду минералов отличается по многим свойствам. Ее минимальная плотность наблюдается при температуре +3,98°С, при дальнейшем охлаждении плотность ее уменьшается (табл. 48) и при замерзании ее объем увеличивается на 11%. Скрытая теплота плавления воды равна 79,7 кал/г (332,43 Дж/г), а скрытая теплота парообразования при 0°С - кал/г (2258,5 Дж/г).
При растворении в воде различных веществ ее объем может увеличиваться, оставаться неизменным или уменьшаться. Так, например, при растворении NaCl ее объем уменьшается на несколько десятков процентов от первоначального объема. Поэтому при смешении двух масс воды разной солености и температуры, но одинаковой плотности происходит уплотнение смеси. Добавка же в воду ионов калия, рубидия, стронция, брома и йода, наоборот, ведет к ее разуплотнению.
Таблица 48
Плотность воды в интервале от —10 до + 100°С (по данным справочника физико-химических величин, 1983)

°с	Р-10-3 кг/м8	°С	Р108 кг/м8
-10	0,98815	30	0,99567
-5	0,99930	35	0,99406
0	0,99987	45	0,99025
4	0,00000	50	0,98807
5	0,99999	60	0,98324
10	0,99973	70	0,97778
15	0,99913	80	0,97183
20	0,99823	90	0,96534
25	0,99707	100	0,95838

В зависимости от термодинамических условий вода претерпевает фазовые переходы.

В литосфере она может находиться в трех фазовых состояниях. Схематично диаграмма состояния чистой воды в координатах р,Т приведена на рис.41. Линия ТА соответствует давлению пара жидкой воды, линия ТС - давлению пара льда, линия ТВ определяет зависимость температуры плавления льда от давления. Линия ТВ характеризуется отрицательным угловым коэффициентом, что соответствует уменьшению температуры плавления льда с возрастанием давления (dp/dT lt; 0). Точка Т - тройная точка состояния равновесия. Она отвечает температуре и давлению, при которых вода может существовать в трех фазах: лед - жидкость - пар. Для воды эта точка соответствует давлению 610,38 Н/м2 и температуре -0,0076°С. Ноль градусов Цельсия соответствует температуре льда, находящегося под давлением 1,013-Ю5 Н/м2. Пунктиром нанесена линия равновесия пар - переохлажденная вода, поскольку сверхчистая вода допускает переохлаждение до -50°С. Точка К на диаграмме соответствует критическим значениям р и Т. Для воды р =2,21 -107 Н/м2, а ТкР=374,2°С. При этих параметрах вода имеет плотность 0,324 г/мл (критическая плотность). Критической точке на ветви ТК будут соответствовать такие температуры и давление, при которых различие между жидкостью и паром полностью исчезает. Состояние воды при высоких давлениях показано на рис. 46.
Вода в виде льда в литосфере встречается в форме обособленных линз, прослоек или в виде цементирующего вещества мерзлых горных пород. Лед в этих формах, в большинстве

ная мерзлота образуется под влиянием космических или планетарных причин и поддерживается современными климатическими условиями.

Жидкая вода также распространена в основном в географической оболочке, но под влиянием тяжести и в результате механического захвата по пустотам (трещинам, порам) проникает далеко в глубь литосферы. Формы нахождения жидкой воды в земной коре самые разнообразные: жидкие гравитационные, пленочные, капиллярные, вакуольные и другие. В географической оболочке и в верхней зоне литосферы вода сосуществует вместе с паром.
Жидкая и парообразная вода (в виде холодного пара) распространена, главным образом, в географической оболочке и лишь частично в литосфере в порах и трещинах горных пород. Горячие парогазовые смеси заключены в интервале температур 100-460°С, так как критические температуры реальных растворов достигают 460°С. Глубина распространения водно-по- ровых смесей достигает 15—20 км на платформах и 10 км в геосинклинальных областях.
Особое состояние воды наблюдается при надкритических значениях температуры и давления, когда вода входит в состав флюида. Под флюидом понимают поликомпонентную смесь летучих веществ, основу которой образуют продукты диссоциации воды: термической (свободный водород и кислород) или электрической (протон Н+, гидроксил ОН" и кислородный ион О2 ). Во флюиде, в условиях высоких температур и давлений,
стирается грань между жидкостью и газом. Молекулы приобретают скорость движения газа, а плотность флюида близка в плотности жидкости. По выражению А.П.Виноградова, флюид представляет собой своеобразную «геологическую плазму». Флюид обладает большими запасами энергии и повышенной растворяющей способностью, вследствие чего играет выдающуюся, еще далеко неосознанную роль в формировании структур литосферы.
В общем, состояние воды, ее структура и свойства в значительной степени определяются термодинамическими параметрами - температурой и давлением. В зависимости от их изменения А.М. Гальперин и другие (1989) выделяют следующие гидрофизические зоны: твердой воды (криолитозона); жидкой воды; уплотненного надкритического флюида; мономерных молекул воды; диссоциированных молекул воды.
Первая зона ограничена гидроизотермой фазового перехода лед - вода; ее мощность от сотен метров до 1 км.
Вторая зона в пределах пщтов и платформ распространяется на всю земную кору, в складчатых областях и молодых прогибах занимает ее верхнюю часть, ограниченная изотермами фазовых переходов лед - вода и вода - пар, зона охватывает 80% земной коры. Максимальная температура 460°С, давление 25-105 Па. Мощность изменяется от 8 км (островные дуги) до 80 км (область докембрийской складчатости).
Третья зона размещается между изотермами 460° и 700°С. Вода в этой зоне находится в газообразном состоянии. На больших глубинах при давлении 50*105 Па возможны нестойкие группировки молекул. Мощность 30-80 км.
Четвертая зона размещается между изотермами 700-1000°С; здесь отсутствуют структурные связи, вода находится в газообразном состоянии, обладает высокой летучестью и принимает активное участие в геохимической миграции элементов.
Пятая зона расположена ниже изотермы 1000°С; вода здесь присутствует в диссоциированном виде Н+ и ОН'. При температуре 1500°С гидроксил диссоциирует на ионы водорода и кислорода.
Несколько иные параметры температуры, которые отвечают структурным превращениям воды, предлагают Л.Н. Овчинников и В.А. Масалович. Они выделяют семь особых температурных точек воды, отвечающих ее структурным превращениям: 4, 40, 85, 165, 225, 340 и выше 400°С. По температурному режиму выделяются группы холодных и слаботермальных вод верхней части земной коры, условной их границей принимают изотерму 40°С (характерная температура Менделеева). Для этой зоны свойственна энергичная бактериальная деятельность. При температуре 40°С резко изменяются электропроводность воды и ряд других ее свойств. Ниже расположены зоны горячих и умеренно перегретых вод (40-200°С), сильно перегретых (200- 375°С) и флюидных вод (выше 375°С).

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме ВОДА В ЛИТОСФЕРЕ Структура и физические свойства воды:

- География - Землеведение - История Земли -