Гидросфера – водная оболочка нашей планеты, включает в себя всю воду, химически не связанную, независимо от ее состояния (жидкую, газообразную, твердую). Гидросфера является одной из геосфер, располагающейся между атмосферой и литосферой. Эта прерывистая оболочка включает все океаны, моря, континентальные пресные и соленые водоемы, ледяные массивы, атмосферную воду и воду в живых существах.
Примерно 70% поверхности Земли покрыты гидросферой. Ее объем около 1400 млн. кубометров, что составляет 1/800 объема всей планеты. 98% вод гидросферы – Мировой океан, 1,6 % заключено в материковых льдах, остальная часть гидросферы приходится на долю пресных рек, озер, подземных вод. Таким образом, гидросфера делится на Мировой океан, подземные воды и континентальные воды, причем каждая группа, в свою очередь, включает подгруппы более низких уровней. Так, в атмосфере вода находится в стратосфере и тропосфере, на земной поверхности выделяют воды океанов, морей, рек, озер, ледников, в литосфере – воды осадочного чехла, фундамента.
Несмотря на то, что основная масса воды сосредоточена в океанах и морях, а на долю поверхностных вод приходится лишь малая часть гидросферы (0,3%), именно они играют главную роль в существовании биосферы Земли. Поверхностные воды – это основной источник водоснабжения, обводнения и орошения. В зоне водообмена пресные подземные воды быстро обновляются в ходе общего круговорота воды, поэтому при рациональной эксплуатации можно использовать их неограниченно долгий срок.
В процессе развития молодой Земли гидросфера формировалась при становлении литосферы, которая за геологическую историю нашей планеты выделила огромное количество водяного пара и подземных магматических вод. Гидросфера образовалась в ходе длительной эволюции Земли и дифференциации ее структурных компонентов. В гидросфере впервые на Земле зародилась жизнь. Позднее в начале палеозойской эры состоялся выход живых организмов на сушу, и началось постепенное расселение их на континентах. Жизнь без воды невозможна. В тканях всех живых организмов содержится до 70-80% воды.
Воды гидросферы постоянно взаимодействуют с атмосферой, земной корой литосферы и биосферой. На границе между гидросферой и литосферой формируются практически все осадочные горные породы, которые составляют осадочный слой земной коры. Гидросферу можно рассматривать как часть биосферы, так как она полностью заселена живыми организмами, которые, в свою очередь, оказывают влияние на состав гидросферы. Взаимодействие вод гидросферы, переход воды из одного состояния в другое проявляется как сложный круговорот воды в природе. Все виды круговорота воды различных объемов представляют собой единый гидрологический цикл, в ходе которого осуществляется возобновление всех типов вод. Гидросфера является незамкнутой системой, воды которой тесно взаимосвязаны, что обусловливает единство гидросферы как природной системы и взаимовлияние гидросферы и других геосфер.
Интересные особенности воды
Вода - самое распространенное вещество на Земле. 3/4 поверхности земного шара покрыты водой в виде океанов, морей, рек и озер. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в земной атмосфере; в виде огромных масс снега и льда на вершинах гор и в полярных странах. В недрах земли также находитcя вода, пропитывающая почву и горные породы.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Происхождение жизни на Земле обязано воде. В организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, вода принимает участие в целом ряде биохимических реакций как растворитель.
Вода очень необычная по своим физико-химическим свойствам субстанция. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как у других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет максимальную плотность, при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается. Это свойство воды очень ценно для жизни. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Тогда бы вода замёрзла, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. Многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение имеет тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(г К)]. Поэтому .в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.
Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии sp2-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку на них создаются два положительных полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и в свою очередь создают два отрицательных полюса.
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 ед. Но молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это происходит из-за того, что в жидкой воде происходит ассоциация отдельных молекул воды в более сложные агрегаты (кластеры). Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
По своей структуре вода представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристаллоподобные образования, состоящие из 57 молекул и взаимодействующие друг с другом за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из 912 молекул воды. Свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода).
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной - из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - обломки структур льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких "ледяных" агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.
По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар.
Вода - очень реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосферы воздуха.
Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения ксенона, хлора и углеводородов, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа ("гостя") межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды ("хозяина"); они называются соединениями включения или клатратами.
В клатратных соединениях между молекулами "гостя" и "хозяина" образуются лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных затруднений Поэтому клатраты - неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких температурах.
Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, Затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской воды.
