Вода

Вода — це хімічна речовина (грец. ὕδωρ (гідро), лат. aqua (аква)), сполука водню з киснем, яка має хімічну формулу Н₂O. Це найпоширеніша речовина на Землі, яка утворює океани, моря, озера та річки. Пари води також присутні у повітрі, вона міститься в організмах тварин та рослин. Вода відіграє важливу роль різних форм життя, є переносником різних мікроелементів. Хімічна формула Н₂O вказує на те, що молекула води складається з одного атома кисню та двох атомів водню, пов'язаних ковалентними зв'язками. Атоми водню приєднані до атома кисню під кутом 104 45°. Термін «вода» також використовується для позначення рідкого стану Н₂O за стандартних умов температури і тиску [1] .

Історичні факти

Перша згадка про воду у наукових працях датується IV століттям до нашої ери і належить давньогрецькому філософу Аристотелю. У своїй праці «Вчення про чотири стихії» він описав воду як один із основних елементів, разом із землею, вогнем та повітрям. Аристотель вважав воду джерелом холоду та вологи. До XVIII століття вода розглядалася як окремий хімічний елемент. В 1783 французький вчений Антуан Лавуазьє повторив експерименти англійського вченого Кавендіша і виявив, що вода може розкладатися на водень і кисень. Він дійшов висновку, що вода є окис водню. Лавуазьє також визначив кількісний склад води: 15% водню та 85% кисню [2] . Згодом багато вчених проводили кількісний аналіз води. У 1808 році французький хімік та фізик Жозеф Луї Гей-Люссак отримав результати, які вважалися зразковими: 13,27 % водню та 86,73 % кисню.Однак лише у 1821 році шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус та французький фізик та хімік П'єр Луї Дюлонг провели більш точний аналіз та виявили, що вода містить 11,1 % водню та 88,9 % кисню, що відповідає сучасним значенням. Гей-Люссак вивчав об'ємні відносини газів і показав, що один об'єм кисню і два об'єми водню при взаємодії дають два об'єми водяної пари (при температурі вище 100°C). На основі цих результатів і з урахуванням закону Авогадро було зроблено висновок, що дві частинки водяної пари утворюються з однієї частинки кисню та двох частинок водню. Таким чином, було виведено формулу води - Н₂O [3] .

Будова молекули

Маса молекули води становить 18, 016 Так (Так - дальтон, або одиниця атомної маси, що дорівнює 1, 66033 · 10-27 кг), при цьому вміст водню у воді становить 11, 19%, а кисню - 88, 81%. Молекула води має кутову структуру, де ядра атомів утворюють рівнобедрений трикутник. У основі трикутника перебувають два протона, а вершині — ядро ​​атома кисню. Кут (α) між зв'язками Н-О становить 104, 5° в рідкому стані, а між'ядерна відстань (a) дорівнює 0,099 нм. Зовнішній електронний шар атома кисню містить вісім електронів, які утворюють чотири електронні пари. Дві з них беруть участь у освіті ковалентних зв'язків О-Н, а дві інші є неподіленими або вільними електронними парами. В результаті зміщення електронів, що утворюють зв'язок О-Н, до електронегативного атома кисню, на атомах водню виникають ефективні позитивні заряди [4] . Неподілені електронні пари також зміщені щодо атома кисню і створюють два негативні полюси.Таким чином, молекула води має два позитивні і два негативні полюси, що робить її диполем у більшості випадків. Завдяки дипольній структурі, молекули води мають здатність утворювати водневі зв'язки. Водневі зв'язки виникають внаслідок електростатичних та донорно-акцепторних взаємодій між молекулами води. Цим пояснюється той факт, що вода – це добрий розчинник для іонних та полярних речовин. Наявність надлишкових зарядів на атомах Н і Про, і навіть неподілених електронних пар атомів Про зумовлює освіту між молекулами води водневих зв'язків, унаслідок чого вони об'єднуються в асоціати. Існуванням цих асоціатів пояснюються аномально високі значення температури плавлення та температури кипіння води. Результатом взаємного впливу молекул Н₂O один на одного є їх самоіонізація. Явище самоіонізації це процес виникнення в одній молекулі гетеролітичного розриву полярного зв'язку O-H, і протон H+, що звільнився, приєднується до атома кисню іншої молекули. Іон, що утворюється гідроксонія H₃O + по суті є гідратованим іоном водню Н + • Н₂O. Механізм зв'язку донорно-акцепторний [5].

Знаходження у природі

Більшість поверхні нашої планети зайнята океанами і морями. Приблизно 20% суші покрито твердою водою у вигляді снігу та льоду. Із загальної кількості води на Землі, яка становить 1 млрд 386 млн кубічних кілометрів, 1 млрд 338 млн кубічних кілометрів припадає на солону воду Світового океану, а лише 35 млн кубічних кілометрів — на прісну воду. Якби всю океанічну воду використовувати для покриття земної кулі, то шар води був би товщиною понад 2,5 кілометри.Приблизно кожного жителя Землі припадає 0, 33 кубічного кілометра морської води і 0, 008 кубічного кілометра прісної води. Проте більшість прісної води перебуває у недоступному для людини стані. Майже 70% прісної води знаходиться в льодовиках полярних країн і гірських льодовиках, 30% - у підземних водоносних шарах, а лише 0,006% прісної води міститься в річках [6] . Природні води являють собою складні системи, що містять розчинені іони та молекули, мінеральні та органічні сполуки у вигляді колоїдів, суспензій та емульсій. У воді розчинені гази, що становлять атмосферу, а також речовини, що утворюються внаслідок життєдіяльності водних організмів та хімічних процесів. Склад природних вод формується в результаті взаємодії води з навколишнім середовищем, такий як гірські породи, ґрунт та атмосфера. Діяльність людини також помітно впливає на склад поверхневих, підземних і атмосферних вод. Вода, що містить велику кількість солей кальцію та магнію, називається жорсткою [7] .

Фізичні властивості

Ефект, або парадокс Мпемби полягає в тому, що на морозі гаряча вода застигає швидше ніж холодна.

Вода - безбарвна рідина, без смаку та запаху, хороший розчинник. Здатність молекул води утворювати між собою водневі зв'язки визначає існування в конденсованому стані. Вода залежно від зовнішніх умов (температура, тиск) може існувати в трьох агрегатних станах: твердому (лід), рідкому та газоподібному (водяна пара). Вода проти іншими рідинами має найбільшу теплоту випаровування, і навіть значну величину теплоти плавлення.Конденсація водяної пари і замерзання води викликають виділення теплоти, кількість якої еквівалентно поглинається відповідно при випаровуванні та плавленні. Вода має найбільшу теплоємність у порівнянні з іншими рідинами та твердими речовинами. Всі ці властивості визначаються значною величиною енергії водневого зв'язку, що становить у воді 19,3 кДж/моль [3]. Аномальні властивості води мають найважливіше значення існування життя Землі. Холодні та теплі океанічні течії згладжують клімат теплих та холодних областей. Висока теплоємність води морів і океанів сприяє накопиченню тепла влітку, а його віддача взимку пом'якшує дію морозів. Висока теплоємність води сприяє підтримці температури теплокровних тварин у різних температурних умовах. З усіх рідин, за винятком ртуті, вода має найвищий поверхневий натяг, прозора, безбарвна, значною мірою поглинає ультрафіолетові та інфрачервоні промені, що відіграє велику роль у протіканні біохімічних процесів. Завдяки високій діелектричній проникності вода є хорошим розчинником для сполук з полярною та іонною структурою [5] .

Хімічні властивості

Вода належить до реакційноздатних речовин, слабкий електроліт. Дисоціація відбувається відповідно до рівняння: Н₂О ⇄ Н + + OH - Протон миттєво гідратується з утворенням іонів гідроксонію Н₃Про + (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 Н+ - важлива характеристика водних розчинів [1].

іонів. Деякі іони утворюють настільки міцні зв'язки України із молекулами води, що й гідрати можуть існувати у розчині, а й у твердому стані. Цим пояснюється утворення кристалогідратів типу CuSO4 • 5H₂O, FeSO₄• 7Н₂O [2]

Способи отримання

Воду можна отримувати наступними способами [1]:

• У ході реакцій – розкладання пероксиду водню

• В ході реакцій іонного обміну між солями та кислотою

• У ході реакцій нейтралізації між лугом та кислотою

• Відновленням водородомоксидів металів