Свободная вода¶

Свободная вода — это вода, находящаяся в природе вне организма живых существ и не связанная с биологическими структурами; термин также применяется в химии и физике для обозначения воды, не включённой в кристаллическую решётку минералов или не участвующей в химических связях с другими веществами. Свободная вода противопоставляется связанной воде, которая удерживается в породах, почвах и тканях за счёт адсорбции, капиллярных сил или химического связывания.

¶Определение и физические свойства

Свободная вода обладает свойствами чистой воды: плотностью около 1000 кг/м³ при 4 °C, высокой теплоёмкостью, отличной растворяющей способностью и высокой поверхностной энергией. В отличие от связанной, она не ограничена в движении и способна перетекать под действием силы тяжести, заполняя полости, трещины и поры пород.

В природе свободная вода встречается в трёх агрегатных состояниях — жидком, твёрдом (лёд, снег) и газообразном (водяной пар). В гидросфере она формирует океаны, моря, реки, озёра, подземные водоносные горизонты и ледники.

¶Свободная вода в почвах и горных породах

В почвоведении и геологии свободная вода — это вода, заполняющая крупные поры и трещины почвы или породы и не удерживаемая силами адгезии и капиллярности. Она перемещается по гравитационным силам и является основным источником водоснабжения и питания растений.

По характеру удержания различают:

• Гравитационную воду — свободно перетекающую вниз под действием силы тяжести;
• Капиллярную воду — поднимающуюся вверх по узким порам, но уже относимую к связанной;
• Гигроскопическую воду — тонко связанный слой на поверхности частиц, к свободной не относящийся.

Свободная вода в почве определяет её водопроницаемость, аэрацию и плодородие. Избыток свободной воды приводит к переувлажнению, вымыванию питательных веществ и кислородному голоданию корней.

¶Свободная вода в химии и минералогии

В кристаллохимии свободной называют воду, не входящую в кристаллическую решётку минерала. Многие минералы содержат воду в структуре — это кристаллогидраты (гипс CaSO₄·2H₂O, боракс Na₂B₄O₇·10H₂O). Вода в них связана химически и не может быть удалена без разрушения решётки.

Свободная вода, напротив, присутствует в порах, трещинах и полостях кристаллов, а также в адсорбированном виде на поверхности минеральных зёрен. При нагревании она удаляется при относительно низких температурах и не требует разрушения структуры.

В аналитической химии различают также «кристаллизационную» и «адсорбированную» воду, а также «гигроскопическую» — тончайший слой, удерживающийся на поверхности вещества.

¶Свободная вода в биологии

В биологии и физиологии растений свободная вода — это вода, находящаяся в клетках и межклеточном пространстве в виде свободного раствора, не связанного с коллоидами и макромолекулами. Она является основным растворителем и средой для биохимических реакций, транспорта веществ и поддержания тургора.

Растения усваивают воду преимущественно в свободной форме через корни. При засухе растение сначала расходует связанную воду, а затем переходит к фазе увядания, когда свободная вода исчерпана.

В пищевой промышленности и химии понятие «свободная вода» используется при оценке активности воды (aw) — показателя, определяющего доступность воды для микроорганизмов и химических реакций. Чем выше активность, тем больше свободной воды в продукте и тем выше риск микробиологической порчи.

¶Свободная вода в гидрологии и водоснабжении

В гидрологии свободная вода — это вода, доступная для круговорота и использования: поверхностные воды (реки, озёра, водохранилища) и подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах. Их запасы оценивают в миллионах кубических метров и используют для питьевого водоснабжения, орошения, промышленности и энергетики.

По данным ЮНЕСКО, общие запасы пресной воды на Земле составляют около 35 миллионов кубических километров, из которых подавляющая часть — в ледниках и подземных горизонтах, а доля свободно доступной поверхностной воды невелика.

¶Значение

Свободная вода играет ключевую роль в круговороте воды в природе, почвообразовании, сельском хозяйстве, промышленности и жизнедеятельности организмов. Понимание различий между свободной и связанной водой важно для геологии, почвоведения, сельского хозяйства, пищевой технологии и экологии.

¶Источники

• «Гидрология суши» — учебник под редакцией И. А. Бычкова
• «Почвоведение» — учебник под редакцией В. А. Ковда
• «Химия воды» — сборник статей, посвящённых свойствам воды
• ЮНЕСКО, «Водный ресурсный отчёт» (World Water Assessment Programme)