Як зявилася вода і скільки її на нашій планеті

11.02.2017

ЯК З’ЯВИЛАСЯ ВОДА І СКІЛЬКИ ЇЇ НА НАШІЙ ПЛАНЕТІ

ВОДА

Як з’явилася вода і скільки її на нашій планеті

«Тобою насолоджуються, не відаючи, що ти таке», — звертався до води Антуан де Сент-Екзюпері. Той самий, що написав чудову казку про маленького принца. І там вода грала не останню роль: принц постійно пам’ятав, що треба поливати свою єдину троянду, залишену на далекій рідній планеті.

Ми не можемо прожити без води і декількох днів. Між тим довгі століття люди не тільки не знали, що вона собою являє, але не знали навіть, скільки її на Землі. І вже зовсім було неясно, як вона з’явилася на планеті.

Вода була ще до появи людини: є всі підстави вважати, що життя виникло у водному середовищі. А до виникнення життя? Вода — активний творець нашої планети, один з її основних «будівельних матеріалів».

Мільярди років тому в холодному газопиловому хмарі, з часом сгустившемся, уплотнившемся і став Землею, вже містилася вода. Швидше за все, вона була у вигляді крижаного пилу. Це підтверджують дослідження Всесвіту. Встановлено, що вихідні елементи для утворення води — водень і кисень — в нашій Галактиці належать до шести найпоширенішим речовин космосу.

Скупчення молекул води і гідроксидних радикалів виявлені за межами Сонячної системи. У сузір’я Кассіопеї і Оріона знайдені хмари, що складаються з молекул води. Розміри хмар колосальні — їх протяжність в 40 разів перевищує відстань від Сонця до Землі. Нерідкі випадки падіння на Землю залишків кометних ядер — «посланців» далеких світів. Найчастіше вони являють собою гігантські брили льоду замерзлого з метаном, аміаком і мінеральними частинками. Вага досягли Землі крижаних брил може досягати сотень кілограмів.

Багаторічними дослідженнями геологічних процесів, що відбуваються на нашій планеті, академік АН України М.П. Семененко встановив, що саме вода та її складові елементи відігравали визначальну роль у всій геологічної історії Землі. Досліджуючи вміст кисню в складі земної кори, вчений зробив висновок, що в освіті протоземлі брали участь величезні кількості води. Крім цього, її елементи входили до складу основних компонентів вихідного хмари: водень — до складу гідридів металів, кисень — до складу оксидів.

Згідно з теорією академіка А. П. Виноградова, протоземное хмара поступово уплотнялось і саморазогревалось. Джерелом необхідної енергії служили процеси радіоактивного розпаду і ущільнення первинного речовини планети. З незапам’ятних часів в надрах планети відбуваються глибинні фізико-хімічні процеси. Там розвиваються жахливі тиску і температури; вихідні речовини при цьому відчувають складні перетворення. В результаті утворюються паро — та газоподібні сполуки, причому більшість з них складається з води або складових її елементів.

Згідно геохімічної моделі нашої планети, створеної Н.П. Семененко, земна кора, що складається з окислених порід, є своєрідним кисневим каркасом, а ядро планети складають гідриди декількох металів і частково карбід заліза. У зонах самих високих тисків і температур виділяються, переважно, водень і вуглеводні. Далі від центру планети ці речовини взаємодіють із окисленими породами — утворюються водяна пара і вуглекислий газ. Ці сполуки постійно виділяються на поверхню через жерла вулканів, через всілякі наземні і підводні тріщини і розломи земної кори.

За підрахунками Н.П. Семененко, за всю історію існування Землі на її поверхню таким чином виділилося близько 3,4·109 км3 води. Третину цієї кількості в пароподібному стані покинула поверхню планети, а під впливом Сонця значна частина фотодиссоциировала на водень і кисень.

Інша маса води, очевидно, поступово склала гідросферу. З’явившись на поверхні планети таким складним шляхом, вода не стала інертною, пасивною середовищем. Разом з парами води виділялися не тільки оксиди вуглецю, але і сполуки азоту, фосфору, сірки, які разом з киснем, вуглецем і воднем складають хімічну основу життя. Найбільш сприятливі умови для виникнення і розвитку життя створилися у водному середовищі. «Саме вода гідросфери стала тією обов’язковою, незамінною середовищем, в якій відбувалося формування найбільш складних органічних сполук, які в подальшому матеріалом для побудови тіл живих істот. Вода і зараз є наипростейшим, але кількісно переважаючим хімічним компонентом «живої матерії» — всієї сукупності організмів, що населяють нашу планету!», — так оцінює роль води у виникненні біосфери біохімік А. В. Опарін.

В даний час підрахунок кількості води на Землі виконаний з усією точністю, доступною сучасній науці. Цю роботу вчені виконали в рамках програми Міжнародного гідрологічного десятиліття 1964-1974 рр. Результати цієї роботи опубліковані в багатотомній праці «Світові водні ресурси і водний баланс земної кулі».

Встановлено, що гідросфера — океани, моря, річки, озера, болота, атмосферна волога — вимірюється значною величиною — 1,385*10 9 км3 води, або 1,4*10 19 т. Три чверті поверхні планети покрито водою.

Космонавти неодноразово відзначали, що з космосу Земля виглядає блакитною планетою з відносно невеликими вкрапленнями суші. Блакитна планета? Мабуть, не планета, а тільки її тонка оболонка. Якщо розподілити всю воду рівномірно по поверхні земної кулі, середній радіус якого 6370 км, вийде плівка товщиною менше 3 км. Не багато води в загальному обсязі планети. До того ж, основну частину нашого водного потенціалу становить вода, якої не нап’єшся, не використовуєш ні в промисловості, ні в сільському господарстві, в побуті. 97,75% або 1,338*10 9 км3. — це солоні води океанів і морів. Решта 2,25% — прісні води, однак, половина їх — 24*10 6 км 3 — «законсервована» у вигляді гігантських крижаних шапок Антарктиди, Арктики, Гренландії, високих гір у різних районах Землі. Приблизно стільки ж води — 23,4*10 6 км 3 — приховано від людських очей в товщі земної кори. Це підземні води.

Обсяг доступної прісної води обчислюються вже не мільйонами, а тисячами кубічних кілометрів. Найбільше прісної води на земній поверхні накопичено в озерах -176,4*10 3 км 3. Якщо на мить затримати протягом всіх річок земної кулі, то виявилося б, що в їх руслах одночасно знаходиться 2120 км 3 води.

Витоки безлічі річок, великих і малих, що знаходяться в болотах, які містять 10300 3 км прісної води. 13000 т води міститься в найближчих до земної поверхні шарах атмосфери. На висоті до 1 км концентрація водяної пари в повітрі в середньому становить 2%.

Ось, мабуть, і вся вода, на яку може реально розраховувати людство тепер і в найближчому майбутньому.

Так проста вода

«Найпростіше стійке з’єднання водню з киснем», — таке визначення води дає Коротка хімічна енциклопедія.

Все вірно, тільки найпростіше в хімії — це далеко не просте.

До XIX століття люди не знали, що вода — хімічна сполука. Її вважали звичайним хімічним елементом. Лише в 1805 році Олександр Гумбольдт і Жозеф Луї Гей-Люссак встановили, що вода складається з молекул, кожна з яких містить два атоми водню і один кисню.

Після цього понад сто років усі і всюди вважали, що вода _ індивідуальне з’єднання, описуване єдино можливою формулою H2 O.

Недостатність цього положення з’ясувалася лише в 1932 році. Світ облетіла сенсація: крім звичайної води, у природі існує ще і важка вода. У молекулах такої води місце водню займає його важкий ізотоп — дейтерій.

Важку воду відкрили американські фізики Гаральд Юрі і Ельберт Осборн. У 1933 році американець Герберт Льюїс спільно з Річардом Макдональдом вперше виділили її в чистому вигляді.

В невеликих кількостях важка вода постійно і повсюдно присутній в природних водах, зовні абсолютно не відрізняючись від звичайної води. Розрізнити їх можна лише за фізичними характеристиками. В молекулу важкої води входять атоми не легкого водню — протію ( 1 H), а його ізотопу — дейтерію ( 2 D), атом якого на одиницю важче протиевого, отже, молекулярна вага важкої води на 2 одиниці більше: 20, а не 18.

Формула важкої води D2 O. Вона на 10% щільніше звичайної, її в’язкість вище на 23%. Вона кипить при 101,42 o С, а замерзає при +3,8 o С.

Такі особливості дозволяють зрозуміти не рівномірність змісту важкої води в тих чи інших природних водах. Наприклад, у замкнутих водоймах її більше, так як у порівнянні зі звичайною водою вона випаровується менш інтенсивно. Тому важкої води більше у місцевостях з жарким кліматом. Збагачується дейтерієм і поверхня океану на екваторі і в тропіках, тим більше що свою лепту вносять часті атмосферні опади, при утворенні яких йдуть процеси конденсації води з парової фази (див. далі), а важка вода конденсується швидше, ніж легка, отже, опади збагачені важкою водою. Однак для океанської поверхні підвищений вміст важкої води характерно лише на низьких широтах.

Поблизу полюсів свої особливості. У високих південних широтах (в Антарктиці) океанські води помітно «легше». У цьому позначається вплив талих вод антарктичних айсбергів, які відрізняються найбільш низьким вмістом дейтерію на планеті.

Невелика частка дейтерію і в льодах Гренландії, тим не менш, океанські води високих північних широт збагачені важкою водою. Тут позначається танення «важких» арктичних льодів.

Власне важка вода D2 O в природі знаходиться в нікчемних кількостях — в мільйонних частках відсотка. Переважає її різновид, склад якої можна виразити формулою HDO.

Важка вода — дуже важливе промислове сировину, ефективний сповільнювач швидких нейтронів. Тому вже зараз її широко застосовують у різних реакторних установках. А в майбутньому важка вода може стати сировиною для термоядерної енергетики: 1 г дейтерію при термоядерному розпад дає 10 млн. разів більше енергії, ніж 1 г вугілля при згорянні. У Світовому океані міститься 10 15 тонн HDO.

Відкриття останніх років показали, що важка вода відіграє чималу роль у біологічних процесах. Це і зрозуміло, адже вона є постійною і повсюдної домішкою природних вод. Систематичне вивчення її впливу на тварин і рослини розпочато порівняно недавно. Різні дослідники незалежно один від одного встановили, що важка вода діє негативно на життєві функції організмів; це відбувається навіть при використанні звичайної природної води з підвищеним вмістом важкої води.

Піддослідних тварин напували водою, 1/3 частина якої була замінена водою складу HDO. Через недовгий час починалося розлад обміну речовин тварин, руйнувалися нирки. При збільшенні частки важкої води тварини гинули.

На розвиток вищих рослин важка вода також діє гнітюче; якщо їх поливати водою, на половину складається з важкої води, ріст припиняється.

Знижений вміст дейтерію у воді стимулює життєві процеси. Такі дані отримали Б. В. Родимов та В. П. Торопов. Вони довгий час спостерігали за рослинами і тваринами, що споживали воду, в якій містилося дейтерію на 25% нижче норми. Виявилося, що, споживаючи таку воду, свині, пацюки та миші дали потомство, набагато більший і більший звичайного, несучість курей піднялася вдвічі, пшениця дозріла раніше і дала більш високий урожай.

Перші результати вивчення важкої води показують, скільки незвичайних властивостей таїть таке звичайне речовина, як вода.

Відкриття важкої води послужило поштовхом до з’ясування фракційного складу води. Незабаром була виявлена надважка вода Т2 0. В її складі місце водню займає його природний ізотоп, ще більш важкий, ніж дейтерій. Це тритій (Т), він радіоактивний, атомна маса її дорівнює 3. Тритій зароджується у високих шарах атмосфери, де йдуть природні ядерні реакції. Він є одним з продуктів бомбардування атомів азоту нейтронами космічного випромінювання. Щохвилини на кожний квадратний сантиметр земної поверхні падають 8. 9 атомів тритію.

В невеликих кількостях надважка (тритієва) вода потрапляє на Землю у складі опадів. У всій гідросфері одночасно налічується лише близько 20 кг Т2 0. Тритієва вода розподілена нерівномірно: в материкових водоймах її більше, ніж в океанах; в полярних океанських водах її більше, ніж в екваторіальних. За своїми властивостями надважка вода ще помітніше відрізняється від звичайної: кипить при 104 o С, замерзає при 4. 9 o С, має щільність 1,33 г/см 3 .

Надважку воду застосовують у термоядерних реакціях. Вона зручніше дейтерієвої, так як чутливіші у визначенні.

Перелік ізотопів водню не кінчається тритієм. Штучно отримані і більш важкі ізотопи 4 H і 5 H, теж радіоактивні.

Таким чином, можливе існування молекул води, у яких містяться будь-які з п’яти водневих ізотопів в будь-якому поєднанні.

Цим не вичерпується складність ізотопного складу води. Існують також ізотопи кисню. У періодичній системі хімічних елементів Менделєєва Д. І. значиться всім відомий кисень 16 O. Існують ще два природних ізотопу кисню — 17 O і 18 O. В природних водах в середньому на кожні 10 тисяч атомів ізотопу 16 O припадає 4 атома ізотопу 17 O і 20 атомів ізотопу 18 O.

По фізичним властивостям тяжелокислородная вода менше відрізняється від звичайної, ніж тяжеловодородная. Отримують її в основному перегонкою природної води і використовують як джерело засобів з міченим киснем.

Крім природних, існують і шість штучно створених ізотопів кисню. Як і штучні ізотопи водню, вони недовговічні і радіоактивні. З них: 13 O, 14 O і 15 O — легкі, O 19 і 20 O — важкі, а надважкий ізотоп — 24 O отриманий в 1970 році.

Існування п’яти водневих і дев’яти кисневих ізотопів говорить про те, що ізотопних різновидів води може бути 135. Найбільш поширені в природі 9 стійких різновидів води ( сайт Water.ru. в оригіналі у даній таблиці були допущені помилки, які ми дозволили собі виправити ):

Короткий опис статті: скільки відсотків води на землі Ми не можемо прожити без води і декількох днів. Між тим довгі століття люди не тільки не знали, що вона собою являє, але не знали навіть, скільки її на Землі. І вже зовсім було неясно, як вона з’явилася на планеті.

Джерело: Як з’явилася вода і скільки її на нашій планеті

Також ви можете прочитати