Аномальные физические свойства жидкой воды (по Свердрупу)

Структура жидкой воды изучена недостаточно, однако хорошо известна ажурная структура льда, поэтому лед менее плотный и более легкий. Химический характер воды определяется, прежде всего, свойствами атомов водорода, включая формирование водородных связей в органических и минеральных соединениях.

Физические и термодинамические свойства воды в состоянии абсолютной нейтральности приведены в табл. 13.

Таблица 13

Некоторые физические и термодинамические свойства свободной и связанной воды в состоянии абсолютной нейтральности (А. М. Никаноров, 2001)

Например, связанная вода более агрессивна, так как имеет рН 3,6, а окислительно-восстановительный потенциал при повышенной плотности отрицательный. Свободная вода представляет собой нейтральный и активный растворитель.

Благодаря большому дипольному моменту вследствие хорошо выраженной полярности вода обладает большой ионизирующей способностью и считается идеальным растворителем, в котором встречаются в какой-то мере все известные на Земле вещества или продукты их взаимодействия.

Рост температуры ослабляет структуру воды, а рост давления – усиливает ее. Граничные значения температуры, при которых происходит структурная смена воды, по Л. Н. Овчинникову и В. А. Масалович: 0 °С, 4 °, 40 °, 85 °, 165 °, 225 °, 340 °, более 400 °С. Граница зоны гипергенеза связана с температурой 40 °С, выше которой выделяется зона гидротермальных процессов. В жидком состоянии чистая вода не может быть при температуре выше 374,1 °С, а сильно минерализованная – выше 450 °С. При температуре выше 450 °С вода переходит в газовое состояние, однако при высоком давлении водяной пар ведет себя как жидкая вода, а молекула ее ассоциирована. Такие газово-жидкие растворы относят к флюидам.

Рыхлосвязанная вода в порах горных пород называется поровым раствором. При тектонических движениях поровые воды отжимаются из пород или втягиваются в породу. С этим явлением связано формирование химического состава подземных вод, рудообразования, нефте- и газообразования.

С разложением и синтезом воды связаны преобразования пород и минералов. Взаимодействие воды с породами приводит к разложению ее молекул и связыванию их частей разными минералами – глинами и карбонатами:

2 Ca[Al₂Si₂O₈] + 6 H₂O = Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + 2 Ca²⁺ + 4 OH^–.

Гидроксил с СО₂, растворенным в воде, дает HCO₃^–:

OH^– + СО₂ = HCO₃^–.

Гидрокарбонат участвует в образовании карбонатов:

2 HCO₃^– + Ca²⁺ Û CaCO₃ + H₂O + CO₂.

Разложение воды протекает также под воздействием радиации (радиолиз). Синтез воды характерен для зоны метаморфизма и делает ее агрессивной. Это приводит к выщелачиванию пород. Агрессивность воды повышается под воздействием растворенных в ней газов: O₂, CО₂, H₂S и др. В зоне гипергенеза в водах преобладают Ca, Mg, Na, HCO₃, SO₄, Cl.

Большинство металлов в воде находится в форме гидроксокомплексов, полимерных ионов, комплексных соединений с анионами. В воде мигрируют недиссоциированные молекулы. Например, в нейтральных водах на один ион Fe ³⁺ приходится 3 ^. 10 ⁵ ионов [Fe(OH)]²⁺, 6 ^. 10 ⁶ ионов [Fe(OH)₂]⁺ и 9 ^. 10 ⁶ ионов [Fe(OH)₃]⁺.

Геохимия вод невозможна без участия органического вещества. Его ориентировочные запасы в подземных водах составляют более 2,5 ^. 10¹² т. Это в 10 раз больше запасов нефти и больше в 2,5 раза запасов торфа.

Таким образом, минерализация воды, химический состав, температура, давление, рН, Eh, органическое вещество, диэлектрическая проницаемость и другие свойства воды – мощные геохимические факторы, через которые проявляется геохимия гидросферы, влияющая на формирование месторождений.

Химические элементы могут мигрировать в разнообразных формах с водой, которая определяет их способность к концентрации и образованию месторождений полезных ископаемых. В зависимости от формы переноса Н. М. Страхов выделил четыре группы веществ.

К первой группе относятся легкорастворимые соли, представленные хлоридами и сульфатами: NaCl, KCl, MgSO₄, MgCl₂, CaSO₄, CaCl₂. Они присутствуют в речных водах в виде истинных растворов.

Вторую группу компонентов речного стока образуют карбонаты щелочноземельных металлов CaCO₃, MgCO₃, Na₂CO₃.

Третью группу составляют соединения Fe, Mn, P и некоторых редких элементов (V, Сr, Ni, Co, Cuи др.). Они образуют истинные и коллоидные растворы.

К четвертой группе относятся кварц, силикатные и алюмосиликатные минералы. Растворимость их в воде ничтожна, поэтому переносятся в виде взвеси и грубозернистого материала. Глинистые минералы и цеолиты мигрируют во взвешенном состоянии, расщепляясь на чешуйки.

По подсчетам В. М. Гольдшмидта на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли приходится морской воды 278,11 кг, континентального льда – 4,5 кг, пресной воды – 0,1 кг, водяных паров – 0,003 кг.

По химической природе морская вода противоположна речной: в морской воде – Na > Mg > Ca и Cl > SO₄ > CO₃; в речной – Ca > Na > Mg и CO₃> SO₄ > Cl. Хлориды морской воды являются конденсатами вулканической деятельности за все время существования Земли. Изотопный состав океанической воды следующий: H¹₂O¹⁶ – 99,4 %; H¹₂O¹⁸ – 0,2; H²₂O¹⁸ – n ^. 10^–9 %.

Существуют значительные отличия отношений распространенности между отдельными элементами, сходными по своей геохимической природе. Например, соотношение Na: K в литосфере 1,09, в океане 28; Sr: Ba соответственно 1,8 и 266; Cl: Br – 81(110) и 292; Ni: Co – 3,5 и 20; Th: U – 3,4 и 0,017; Mo: W – 0,8 и 100. Это свидетельствует о специфике геохимических процессов, которыми характеризуется вода океана (биохимические, сорбционные, щелочно-кислотные и др.). При слабощелочной реакции многие катионы в виде гидроксидов выпадают в осадок, включая распространенные Ca, Mg, Fe²⁺, Mn. Они образуют легкорастворимые бикарбонаты в присутствии избытка CO₂. В океанической воде становятся устойчивыми комплексные карбонатные анионы лантаноидов, актиноидов урана, тория и бериллия.

Большинство щелочных и щелочноземельных элементов присутствуют в океанической воде либо в виде свободных катионов Na⁺, K⁺,Mg²⁺, Ca²⁺, либо в виде не полностью диссоциированных на ионы молекул типа MgSO₄, CaSO₄. Многие элементы представлены в виде гидроксидов, сорбированных на частицах тонкой минеральной взвеси. Органические соединения иногда могут играть роль комплексообразователей и удерживать некоторые элементы в растворе.

Галогены находятся в виде элементарных анионов, другие элементы (S, B, P) – в виде оксианионов типа SO₄^2–, B₄O₇^2–, PO₄^3–, HPO₄^2–.

Коэффициенты относительной концентрации, вычисленные для океанической воды по отношению к речной и речной по отношению к океанической и приведенные в табл. 14, показывают, что морские воды больше концентрируют химические элементы, чем речные.

Таблица 14