Основные особенности воды как среды обитания

Цель занятия.

Изучить особенности воды как среды обитания. Научится определять основные параметры воды: температуру, соленость, кислотно-щелочной баланс рН, прозрачность.

Материал и оборудование.

Гидрологический термометр, батометр Нансена, батометр Молчанова, диск Секи, портативный TDS-метр (измеритель солености, жесткости и рН воды), гидрологические зонды.

Общее положение.

Вода́ (оксид водорода) – химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н₂O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном – водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд).

Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное влияние на жизнь гидробионтов. Вода предоставляет организмам опору, приносит им пищу, кислород, уносит продукты метаболизма, переносит половые продукты. Благодаря подвижности воды в гидросфере возможно существование прикрепленных форм животных, которых нет на суше, и осуществляет пассивное расселение гидробионтов. Поэтому физико-химические свойства воды представляют собой один из важнейших факторов абиотической среды для обитателей пелагиали и бентали.

Химические свойства и строение воды: Молекула простой или легкой воды состоит из двух атомов водорода (протия) и одного атома кислорода.

• По изотопам молекулы:

  • Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной)

  • Тяжёлая вода (дейтериевая)

  • Сверхтяжёлая вода (тритиевая)

Термические свойства воды

В результате действия сил электростатического притяжения молекулы воды образуют между собой комплексы или агрегаты молекул определенной структуры. Которая зависит от температуры и постоянно меняется. Вода много структурное вещество. Перестройка структуры воды при изменении температуры делает многие физико-химические свойства воды аномальными.

Одной из таких аномалий является способность воды расширятся при замерзании и и иметь большую плотность при температуре 4 °С

В воде в жидком состоянии одновременно можно встретить одиночные молекулы (гидроли), и ассоциации из двух дигидроли, тригидроли и до восьми форм. При явном преобладании дигидролей. При замерзании температуры количество дигидролей уменьшается а начинают преобладать пяти-восьмичленные ассоциации воды тетроидраедной формы при которой молекулы группируются в виде призм с полым пространством внутри. Поэтому плотность льда уменьшается и лед всплывает к поверхности. При этом увеличивается удельный объем воды увеличивается. Плотность чистого льда меньше чем плотность чистой воды поэтому лед держится на поверхности предохраняя водоемы от промерзания. Самая плотная вода в пресноводных водоемах находится в интервале от +4 °С до 0 °С . Поэтому относительно теплая и самая плотная вода опускается на дно, что также препятствует перемерзанию водоемов, а подледные холодные воды не погружаются в глубину, плавая на более теплых. При нагревании свыше 4°С плотность воды опять уменьшается поэтому более теплые и менее плотные воды поднимаются вверх. Образующая слоистость, или температурная стратификации

Теплоемкость

Вода обладает высокой теплоемкость. Удельной теплоемкостью воды называется количество тепла необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 градус. Она равна 4,19×10³ Дж/(кгК) .Большая теплоемкость воды играет значительную роль в процессе охлаждения и нагревания водоемов, а также в формировании климатических условий прилагающих районов). Вода медленно охлаждается и нагревается как во время суток так и при смене сезонов. Максимальное колебание температуры в Мировом океане не превышает 40 °С, в то время как в воздухе эти колебания могут достигать 100-120 °С.

Теплопроводность (или перенос тепловой энергии) воды незначителен. Поэтому вода снег и лед плохо проводят тепло. В водоемах передача тепла на глубины происходит очень медленно.

Эти свойства обуславливают образование слоистости воды на разных горизонтах или температурную стратификацию, потому что низкая теплопроводность существенно тормозит выравниванию температурных градиентов в пелагиали водоемов.

Термостабильности воды способствует высокая теплота парообразования (539 кал/г) и плавления льда (80 кал/г).

Плотность воды и давление

Плотность воды при 4 °С равна 1 г/см² Плотность может повышается за счет растворенных в ней солей и при изменении температуры, последнее изменяется не так существенно но все равно оказывает большое значение на гидробионтов обитающих в толще воды изменяя условия их плавания.

Другое значение плотности как экологического фактора связано с давление на организм которое с глубиной повышается. С углублением на 10 м давление воды повышается на 1 атм.

Вязкость воды

Вода обладает сравнительно небольшой вязкостью. Малая вязкость облегчает организмам плавание. Вязкость может изменяться при изменении солености и температуры воды. Существенно влияя на скорость передвижения особенно мелких организмов. Огромное влияния вязкость оказывает на скорость погружения. Вязкость воды облегчает организмам парение в толщи. У многих гидробионтов выработались адаптации направленные на на увеличение сил трения с водой особенно летом когда вязкость ее снижается.

Поверхностное натяжение воды.

Внутримолекулярные силы проявляются внутри воды в виде сил сцепления, а на свободной поверхности в виде вил прилипания (адгезии). Силы сцепления обуславливают вязкость, а силы адгезии поверхностное натяжение. На свободной поверхности межмолекулярные силы стремятся втянуть все молекулы вовнутрь жидкости и уменьшить свободную поверхность. В результате возникает сила поверхностного натяжения. С этим явлением и смачиванием связана способность воды подниматься по капиллярам.

Химический состав природной воды.

Вследствие полярности молекулы вода обладает высокой силой растворимости веществ. Вода в природе сложный раствор солей, газов, биогенных веществ, микроэлементов и органики.

Химический состав природной воды можно разделить на 5 групп

1. Главные ионы: хлоридные – Cl , сульфатные – SO^2-₄, гидрокарбонатные – HCO^-₃, карбонатные – CO^2-_3, ионы натрия – Na⁺, Калия – K⁺, магния – Mg⁺и кальция – Ca⁺.

2. Растворенные газы: кислород – O_2, азот – N₂, двуокись углерода – CO₂, водород – H, сероводород – H₂S и др.

3. Биогенные вещества: соединения азота, фосфора, кремния.

4. Микроэлементы.

5. Органическое вещество.

Газы присутствуют в воде в виде молекул, соли в виде ионов и комплексов, а минеральные и органические вещества в виде коллоидов.

Оптические свойства воды.

Определяются общими законами – отражения, преломления, и рассеивания света. Попав в воду часть суммарной световой энергии, поглощается или рассеивается. Вода – полупрозрачная среда, оптически более плотная, чем воздух. Поэтому поток световой энергии попадая в воду быстро слабеет. В наиболее прозрачной воде на глубину 10 м проникает 85% солнечной энергии. На 50 м – 30%, на 100 м – 3,5%. На глубине 150 м сумеречная освещенность, а на глубине 200 м практически полная темнота.

На практике надежным показателем оптических свойств воды является ее прозрачность и свет, которые зависят от наличия взвесей и планктонных организмов. В прибрежных районах прозрачность ниже. В океане возрастает из-за отсутствия планктона.

Цвет воды. Цвет зависит от оптических свойств воды и толщины просматриваемого слоя. Различают синий, зеленый, и бурый.

Акустические свойства воды. В воде звук распространяется на очень большие расстояния и с большей скоростью чем в воздухе. Но звуковые лучи плохо преодолевают границу вода-воздух. Скорость звука в воде равна 1400-1550 м/с. Высокочастотные колебания затухают быстрее но могут быть узконаправленные, низкочастотные распространяются на далекие расстояния но более широкие. Собственные шумы водоема создаются движением масс, а биологические шумы жизнедеятельностью животных и их скоплений.

Ход работы.

1. Изучить теоретическую часть работы.

2. Ознакомится с конструкцией и назначением приборов контроля физико-химических параметров воды: гидрологический термометр, батометр Нансена, батометр Молчанова, диск Секи, гидрологические зонды.

3. Измерить температуру поверхностной воды при помощи гидрологического термометра.

4. С пирса согласно принятой методике произвести замер прозрачности водоема при помощи диска Секи.

4. С пирса, при помощи батометров Нансена и Молчанова произвести отборы воды с придонного слоя, определить температуру воды.

5. При помощи портативного TDS-метра измерить соленость, жесткость и рН воды, записать в журнал.

6. В помещении для хранения, испытания и калибровки зондов ознакомится с конструкцией и функциональными предназначениями гидрологических зондов.

Контрольные вопросы.

1. Химическое строение воды

2. Термические свойства воды, теплоемкость и теплопроводность

3. Давление и плотность

4. Поверхностное натяжение

5. Химический состав природных вод

6. Оптические свойства воды

7. Акустические свойства воды.

Рисунки 12 и 13.

Рисунок 12 – батометр Молчанова ГР-18.

Предназначен для взятия проб воды с различных глубин водоемов с одновременным измерением температуры воды исследуемого слоя.

Рисунок 13 – Батометр Нансена

Батометр – океанологические прибор, служащий для взятия проб воды с глубин моря. Батометр представляет собой цилиндрический сосуд с клапанами или крышками, закрывающимися под водой на заданной глубине.

Лабораторная работа 3