Вода

Області знань: Неорганічні сполуки Інші найменування: Оксид водню, гідроксид водню Брутто-формула: H₂O Молярна маса: 18,0152 г/моль Температура плавлення: 0 °C Температура кипіння: 100 °C Агрегатний стан: Рідкий Щільність. у.: 0,99823 г/см³

Вода

Вода [оксид водню, грец. ὕδωρ (гідр.), лат. aqua (аква)], найпростіша стійка хімічна сполука водню з киснем , H₂O; за нормальних умов – рідина без запаху, смаку та кольору. Одна з найпоширеніших на Землі сполук, що грає винятково важливу роль у різноманітних процесах живої та неживої природи Землі. Справжній склад води як складної речовини було вперше встановлено А. Л. де Лавуазьє у 1783 р.

Поширеність у природі

Вода утворює гідросферу, входить у зв'язаному вигляді до складу різних мінералів і гірських порід, є обов'язковим компонентом всіх живих організмів, присутній у ґрунті та атмосфері. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі; вода входить до складу комет, більшості планет Сонячної системи, супутників.

Кількість води на поверхні Землі оцінюється в 1,39 10 21 кг, більша частина міститься в морях і океанах (1,34 10 21 кг). У глибинних шарах Землі води значно більше, ніж на поверхні, - (1,1-1,3) · 10 21 кг у літосфері, (1,3-1,5) · 10 22 кг у мантії Землі. Кількість доступних прісних вод становить 2 10 17 кг. В атмосфері знаходиться близько 1,3 10 16 кг. На землі існує постійний кругообіг води.

Природна вода завжди містить розчинені солі, гази та органічні речовини, а також колоїдні частинки та мікроорганізми. Склад домішок залежить від походження води.По мінералізації розрізняють такі види води: атмосферні опади (10–20 мг/кг), ультрапресні (до 200 мг/кг), прісні (200–500 мг/кг), слабомінералізовані (0,5–1,0 г/кг) , солонуваті (1-3 г/кг), солоні (3-10 г/кг), з підвищеною солоністю (10-35 г/кг), перехідні до розсолів (35-50 г/кг), розсоли (понад 50 мг / кг); максимальні концентрації солей містять води соляних озер (до 300 г/кг) та глибокозалягаючі підземні води (до 600 г/кг). У прісних водах переважають іони HCO₃ – , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl – , Na + , SO₄ 2– , K+. До мікрокомпонентів природної води відносяться B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I та ін. З розчинених газів у природних водах присутні N₂, O₂, CO₂, благородні гази , рідко H₂S і вуглеводні. Концентрація органічних речовин у водах рік близько 20 мг/кг, у водах океану – близько 4 мг/кг, причому їх склад надзвичайно різноманітний.

Ізотопний склад

Існує 9 різновидів молекул води, що включають лише стабільні ізотопи. Їх вміст у природній воді в середньому становить (мольний %): 1 H₂ 16 O - 99,73; 1 H₂ 18 O - 0,2; 1 H₂ 17 O - 0,04; 1 H 2 H 16 O – 0,03; решта присутні у нікчемних кількостях. Природна вода містить також радіоактивний тритій. За фізичними властивостями ізотопні різновиди води дещо різняться; важка вода суттєво відрізняється за властивостями від природної.

Будова молекули та фізичні властивості

Атоми H та O в молекулі води розташовані у вершинах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку O–H 0,0957 нм; валентний кут H-O-H 104,5 °.Електронна щільність молекули води розподілена таким чином, що виникають 4 полюси зарядів, розташовані у вершинах спотвореного тетраедра: два позитивні на атомах H і два негативні на неподілених електронних парах атома O. Дипольний момент 6,17 · 10 -30 Кл · м, енергія іонізації 12,6 еВ, спорідненість до протону 7,1 еВ.

Вода може існувати в твердому (лід), рідкому та газоподібному станах. Дипольні молекули води взаємодіють одна з одною та з полярними молекулами інших речовин (атоми водню можуть утворювати водневі зв'язки з атомами O, N, F, Cl, S та ін.). Кожна молекула води здатна утворювати 4 водневі зв'язки: два – як донор протонів, два – як акцептор. Середня довжина таких зв'язків у кристалічних модифікаціях льоду (відомо 10 кристалічних модифікацій льоду) та кристалогідратах близько 0,28 нм. Кут O-H. O прагне 180° (рис. 1). У звичайних умовах лід існує у гексагональній модифікації; кут H-O-H близький до тетраедричного (109,5 °), що обумовлює пухкість структури льоду. При збільшенні зовнішнього тиску лід перетворюється на модифікації з більшою щільністю; максимальна щільність льоду 1660 кг/м3.

Мал. 1. Схема тетраедричної координації молекули води. Суцільними лініями позначені ковалентні зв'язки, пунктирними лініями водневі зв'язки. Хімічна енциклопедія. Т. 1. Мал. 1. Схема тетраедричної координації молекули води. Суцільними лініями позначені ковалентні зв'язки, пунктирними лініями водневі зв'язки. Хімічна енциклопедія. Т. 1. Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, зберігається і в рідкій воді. Встановлено поєднання молекул води в асоціати і навіть у великі кластери (130 молекул H₂O при 0 °C, 90 – при 20 °C, 60 – при 72 °C, час життя 10 –11 –10 –10 с).

Деякі параметри, що характеризують основні фізичні властивості води різних агрегатних станах (при тиску 1013,25 гПа), наведені в таблиці.

Фізичні властивості води у різних агрегатних станах при атмосферному тиску

Температура кипіння, °С

Температура плавлення, °С

Температура критична, °С

Тиск критичний, МПа

Щільність критична, кг/м3

Теплота плавлення, кДж/моль

Теплота випаровування, кДж/моль

лід (гексагональна структура) при 0 °С

Теплопровідність рідини, мВт/(м·К)

Питома електропровідність, Ом -1 · м -1

Питома теплоємність рідини, Дж/(кг К)

Динамічна в'язкість рідини, мПа · с

Поверхневий натяг рідини на кордоні з повітрям, мН/м

Будова молекули води та наявність водневих зв'язків зумовлюють аномалію фізичних властивостей. Так, щільність води має максимум (1000 кг/м 3 ) за 3,98 °C і при замерзанні різко падає (збільшення обсягу на 9 %). Збільшення щільності при плавленні пояснюється входженням частини незв'язаних молекул води в порожнечі тривимірної сітки. З іншого боку, тепловий рух молекул, що посилюється при нагріванні, обумовлює зменшення щільності. Наявність цих двох протилежних тенденцій пояснює своєрідну – виникнення максимуму – залежність обсягу води від температури. Наявність порожнеч у структурі льоду також є причиною здатності води до значного переохолодження (аж до –30 °C). Крім того, висока міцність водневих зв'язків (близько 21 кДж/моль) пояснює високі значення температур кипіння та плавлення, питомих теплот плавлення та кипіння, діелектричної проникності та ін.Аномалії спостерігаються також у температурній залежності питомої теплоємності (мінімум при 35 °C), зменшенні в'язкості із зростанням тиску, малої стисливості та її зменшенні із зростанням температури. Потрійна точка води (рівновагу рідка вода – лід – пара) відповідає температурі 0,01 °C та тиску 6,1 гПа (рис. 2).

Мал. 2. Фазова діаграма води. БРЕ. Т. 5. Мал. 2. Фазова діаграма води. БРЕ. Т. 5. Про фізичні властивості води в твердому стані див. також у статті Льод.

Вода як розчинник

Високі діелектрична проникність та дипольний момент води визначають її хорошу розчинну здатність по відношенню до полярних та іоногенних речовин. Зазвичай розчинність зростає із підвищенням температури. Розчинність у питній воді малополярних речовин (зокрема газів) порівняно мала. Зі зростанням тиску та при зниженні температури розчинність газів зростає. Багато речовин реагують з водою при розчиненні. Між розчиненими у воді іонами, атомами, молекулами, що не вступають з нею в хімічні реакції, і молекулами води існують іон-дипольні та міжмолекулярні взаємодії.

Внаслідок високої розчинної здатності води отримати її у чистому вигляді важко. Для наукових досліджень, у медицині та ін. застосовують дистильовану воду; абсолютно чисту воду синтезують з H₂ та O₂. Для побутових та технічних цілей воду очищають.

Хімічні властивості

Вода – слабкий електроліт, що дисоціює за рівнянням: H 2 O ⇄ H + + O H − H_ O ⇄ H^ + OH^ H 2 O ⇄ H + + O H − . Протон миттєво гідратується з утворенням іонів гідроксонію H₃O + (ентальпія освіти -1121,3 кДж/моль). Ступінь дисоціації води зростає у разі підвищення температури. Дисоціація води – причина гідролізу солей слабких кислот та основ.Концентрація іонів H+ – важлива характеристика водяних розчинів.

Утворення води з елементів за низьких температур відбувається вкрай повільно; швидкість реакції різко зростає у разі підвищення температури (при 550 °C – з вибухом). Під впливом УФ-випромінювання відбувається фотодисоціація води. Іонізуюче випромінювання викликає радіоліз води з утворенням H₂, H₂O₂ і вільних радикалів (H * , OH * , HO₂ * ).

Вода окислюється атомарним киснем до H₂O₂. При взаємодії води з F₂ утворюються HF та інші сполуки. З іншими галогенами при низьких температурах води утворює суміші кислот (наприклад, HCl та HClO). При пропущенні пари води через розжарене вугілля H₂O розкладається на водяний газ (CO та H₂). При підвищеній температурі у присутності каталізатора реагує з CO та вуглеводнями з утворенням H₂ (використовують для промислового отримання H₂). Вода взаємодіє з найбільш активними металами з утворенням H₂ та відповідного гідроксиду. При взаємодії води з багатьма оксидами утворюються кислоти чи основи. З солями утворює кристалогідрати, з багатьма газами при низьких температурах (інертні гази, вуглеводні) - з'єднання включення, газові гідрати. Приєднання води до молекул ненасичених вуглеводнів лежить в основі промислового способу отримання спиртів, альдегідів та кетонів.

Значення

Без води неможливе існування живих організмів. Воді належить найважливіша роль геологічної історії Землі та виникненні життя, у формуванні середовища, клімату та погоди. Завдяки високим значенням питомої теплоємності, теплоти плавлення та теплоти випаровування, вода стабілізує вплив на температуру поверхні Землі.Аномальна залежність щільності від температури та низька щільність льоду перешкоджають промерзанню водойм, що зумовлює існування в них життя. Деякі з фізичних властивостей води покладено основою визначення одиниць виміру фундаментальних фізичних констант (маси, щільності, температури, теплоти і питомої теплоємності). Вода - обов'язковий компонент багатьох технологічних процесів (у тому числі робоче тіло в парових машинах, розчинник, холодоагент, теплоносій), хімічний реагент у промисловому виробництві низки кислот, лугів, кисню, водню, компонент лікарських засобів, продуктів харчування; морська та озерна вода, а також розсоли – сировинне джерело.

Біологічна роль

Біологічна роль води зумовлена ​​її унікальною хімічною структурою. У водному середовищі виникло життя. Для водних і навколоводних організмів вода служить довкіллям. Недолік води викликає порушення життєдіяльності всіх організмів, та її тривале відсутність можуть переносити лише покоїться форми життя ( суперечки , насіння рослин). Найчастіше вода є невід'ємним компонентом живих організмів; вона знаходиться всередині клітин і служить основою позаклітинних рідин (наприклад, гемолімфа та кров у тварин, флоемний та ксилемний потоки у рослин).Функції води різноманітні - вона служить розчинником для різних сполук, середовищем для реакцій обміну речовин, визначає обсяг клітин та позаклітинних рідин, забезпечує транспорт речовин в організмі, бере участь у терморегуляції. Вміст води в різних організмах відрізняється: наприклад, у водоростей на частку води припадає 90-98%, у листі наземних рослин - 75-86, у насінні злаків - 12-14, у мохів і лишайників - 5-7, у кишковопорожнинних - 95 -98, У комах - 45-65, у ссавців - 60-70%; неоднакове воно й у різних органах і тканинах: наприклад, у кірковій речовині нирки щурів – 74,6 % води, у м'язі – 75,1, у білій речовині мозку – 76,4, у сірій – 79,8 %.

В організм вода надходить із зовнішнього середовища; вона з'являється там також у ході метаболізму (наприклад, у тварин при окисненні 100 г жирів утворюється 107 мл води, а при окисненні 100 г вуглеводів – 55 мл). Транспорт молекул води через біологічні мембрани відбувається спеціальними каналами – аквапоринам . Всмоктування води через мембрани залежить від їхньої осмотичної проникності і визначається градієнтом концентрації осмотично активних речовин з обох боків мембрани. В організмі утворення води, що практично не містить розчинених речовин, відбувається в деяких відділах канальців виділень органів, протоках ряду залоз із зовнішньою секрецією та скорочувальних вакуолях. Утворення та виділення гіпертонічних рідин (секрети сольових залоз, сеча) сприяють стабілізації водного балансу та осмоляльності (загальної кількості розчинених речовин) рідин внутрішнього середовища організму.У живих істот сформувалися системи стабілізації водного обміну при проживанні в середовищах, контрастних за сольовим складом та доступністю води (прісні водоймища, моря, пустелі), це забезпечується системами осморегуляції та волюморегуляції (підтримання сталості обсягу рідини тіла).

В організмі людини вода знаходиться в різних рідинних фазах: внутрішньоклітинної (близько 55% усієї води тіла) та позаклітинної (45%) – у судинах (кров, лімфа) та у міжклітинному просторі. Вміст води зменшується з віком: у новонародженої дитини 79 % від маси тіла, у віці 3–6 місяців – 70 %, у 6–12-місячних – близько 60 %. У чоловіків вміст води вищий, ніж у жінок: у віці 16-39 років близько 60% від маси тіла, у 40-59 років - 55%, у 60 років і старше - близько 51% і менше, у жінок відповідно 50, 46 ,7 та 45,5 %.

Опубліковано 15 червня 2022 р. о 15:44 (GMT+3). Останнє оновлення 15 червня 2022 р. о 15:44 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією