Вода

71% поверхні Землі - вода

Вода ( оксид водню) - хімічна речовина у вигляді прозорої рідини, що не має кольору (у малому обсязі), запаху і смаку (при нормальних умовах). Хімічна формула : Н ₂ O. В твердому стані називається льодом або снігом, а в газоподібному - водяним пором. Близько 71% поверхні Землі покрито водою ( океани, моря, озера, річки, лід).

Є гарним сільнополярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини ( солі, гази).

Вода має ключове значення у створенні і підтримці життя на Землі, в хімічному будову живих організмів, у формуванні клімату і погоди.

1. Види води

Вода на Землі може існувати в трьох основних станах - рідкому, газоподібному і твердому і набувати різні форми, які можуть одночасно бути сусідами один з одним. Водяний пар і хмари в небі, морська вода і айсберги, гірські льодовики і гірські річки, водоносні шари в землі. Вода здатна розчиняти в собі багато речовин, купуючи той чи інший смак. Через важливість води, "як джерела життя", її нерідко поділяють на типи за різними принципами.

За особливостями походження, складу або застосування, виділяють, в числі іншого:

• М'яка вода і жорстка вода - за змістом катіонів кальцію і магнію

• За ізотопів молекули:
  • Легка вода (за складом майже відповідає звичайної)
  • Важка вода (дейтерієва)
  • Надважка вода (тритієва)

• Тала вода
• Прісна вода
• Дощова вода
• Морська вода
• Підземні води

• Мінеральна вода
• Солонувата вода (en: Brackish water)

• Питна вода, Водопровідна вода
• Дистильована вода і деіонізована вода

• Стічні води
• Зливова вода або поверхневі води

• Мертва вода і Жива вода - види води з казок (з казковими властивостями)
• Свята вода - особливий вид води згідно релігійним вченням
• Поливода
• Структурована вода - термін, що застосовується у різних неакадемічних теоріях.

1.1. Хімічні назви води

З формальної точки зору вода має декілька різних коректних хімічних назв:

• Оксид водню
• Гідроксид водню
• Монооксид дігідрогена
• Гідроксильна кислота
• англ. hydroxic acid
• Оксідан
• Дігідромонооксід

2. Властивості

2.1. Фізичні властивості

Вода в нормальних атмосферних умовах зберігає рідке агрегатний стан, тоді як аналогічні водневі сполуки є газами. Це пояснюється особливими характеристиками складають молекули атомів і присутністю зв'язків між ними. Атоми водню приєднані до атома кисню утворюючи кут 104,45 , і ця конфігурація строго зберігається. Через велику різниці електронегативності атомів водню і кисню електронні хмари сильно зміщені в бік кисню. З цієї причини молекула води є активним диполем, де киснева сторона негативна, а воднева позитивна. У результаті молекули води притягуються своїми протилежними полюсами, і утворюють полярні зв'язку, на розрив яких потрібно багато енергії ^[2]. У складі кожної молекули Іон водню ( протон) не має внутрішніх електронних шарів і має малі розміри, в результаті чого він може проникати в електронну оболонку негативно поляризованого атома кисню сусідньої молекули, утворюючи водневий зв'язок з іншою молекулою. Кожна молекула пов'язана з чотирма іншими за допомогою водневих зв'язків - дві з них утворює атом кисню і дві атоми водню ^[2]. Комбінація цих зв'язків між молекулами води - полярною і водневої і визначає дуже високу температуру її кипіння і питому теплоти пароутворення ^[2]. В результаті цих зв'язків у водному середовищі виникає тиск в 15-20 тис. атмосфер, яке і пояснює причину трудносжімаемості води, так при збільшенні атмосферного тиску на 1 бар, вода стискується на 0,00005 частки її початкового об'єму ^[2].

Структури води і льоду між собою дуже схожі ^[2]. У воді як і в льоду молекули намагаються розташуватися в певному порядку - утворити структуру, однак тепловий рух цьому перешкоджає. При температурі переходу в твердий стан тепловий рух молекул більше не перешкоджає утворенню структури, і молекули води впорядковуються, в процесі цього обсяги пустот між молекулами збільшуються і загальна щільність води падає, що і пояснює причину меншої щільності води у фазі льоду. При випаровуванні, навпаки, рвуться усі зв'язки. Розрив зв'язків вимагає багато енергії, від чого у води найбільша питома теплоємність серед інших рідин і твердих речовин. Для того щоб нагріти один літр води на один градус, потрібно затратити 4,1868 кДж енергії. Завдяки цій властивості вода нерідко використовується як теплоносій. Проте питома теплоємність води, на відміну від інших речовин непостійна: при нагріванні від 0 до 35 градусів Цельсія її питома теплоємність падає, тоді як інших речовин вона постійна при зміні температури. Крім великої питомої теплоємності, вода також має великі значення питомої теплоти плавлення (0 C і 333,55 кДж / кг) і пароутворення (2250 кДж / кг).

Вода має також високим поверхневим натягом серед рідин, поступаючись в цьому лише ртуті ^{[3] [4] [5] [6]}. Відносно висока в'язкість води обумовлена ​​тим, що водневі зв'язки заважають молекулам води рухатися з різними швидкостями.

За подібним причин вода є гарним розчинником полярних речовин. Кожна молекула розчиняється речовини оточується молекулами води, причому позитивно заряджені ділянки молекули розчиняється речовини притягують атоми кисню, а негативно заряджені - атоми водню. Оскільки молекула води мала за розмірами, багато молекул води можуть оточити кожну молекулу розчиняється речовини.

Ця властивість води використовується живими істотами. У живій клітині і в міжклітинному просторі вступають у взаємодію розчини різних речовин у воді. ^[7] Вода необхідна для життя всіх без винятку одноклітинних і багатоклітинних живих істот на Землі.

Вода має негативним електричним потенціалом поверхні.

Капля, вдаряються об поверхню води

Чистий (не містить домішок) вода - хороший ізолятор. При нормальних умовах вода слабо дисоційований і концентрація протонів (точніше, іонів гідроксонію H ₃ O ⁺⁾ і гідроксильних іонів H O ^- становить 0,1 мкмоль / л. Але оскільки вода - хороший розчинник, у ній практично завжди розчинені ті чи інші солі, тобто у воді присутні позитивні і негативні іони. Завдяки цьому вода проводить електрику. По електропровідності води можна визначити її чистоту.

Вода має показник заломлення n = 1,33 в оптичному діапазоні. Однак вона сильно поглинає інфрачервоне випромінювання, і тому водяна пара є основним природним парниковим газом, що відповідає більш ніж за 60% парникового ефекту. Завдяки великому дипольному моменту молекул, вода також поглинає мікрохвильове випромінювання, на чому заснований принцип дії мікрохвильової печі.

2.1.1. Агрегатні стани

Фазова діаграма води: по вертикальній осі - тиск в Па, по горизонтальній - температура в Кельвінах. Відзначено критична (647,3 K; 22,1 МПа) і потрійна (273,16 K; 610 Па) точки. Римськими цифрами позначені різні структурні модифікації льоду

За Станом розрізняють:

• Тверде - лід
• Рідке - вода
• Газоподібне - водяний пар

Типи сніжинок.

При нормальному атмосферному тиску (760 мм рт.ст., 101325 Па) вода переходить у твердий стан при температурі в 0 C і кипить (перетворюється на водяну пару) при температурі 100 C (температура 0 C і 100 C були спеціально обрані як температура танення льоду і кипіння води при створенні температурної шкали "за Цельсієм" в системі СІ). При зниженні тиску температура танення (плавлення) льоду повільно зростає, а температура кипіння води - падає. При тиску в 611,73 Па (близько 0,006 атм) температура кипіння і плавлення збігається і стає рівним 0,01 C. Такий тиск і температура називаються потрійною точкою води. При більш низькому тиску вода не може перебувати в рідкому стані, і лід перетворюється безпосередньо в пару. Температура сублімації (сублімації) льоду падає зі зниженням тиску. При високому тиску існують модифікації льоду з температурами плавлення вище кімнатної.

У нормальних атмосферних умовах вода закипає при температурі +98,9 С і з ростом тиску ця температура зростає ^[2].

При зростанні тиску температура кипіння води зростає, щільність водяної пари в точці кипіння теж зростає, а рідкої води - падає. При температурі 374 C (647 K) і тиску 22,064 МПа (218 атм) вода проходить критичну точку. У цій точці щільність і інші властивості рідкої і газоподібної води збігаються. При більш високому тиску немає різниці між рідкою водою і водяною парою, отже, немає і кипіння або випаровування.

Так само можливі метастабільні стану - пересичений пар, перегріта рідина, переохолоджена рідина. Ці стани можуть існувати тривалий час, проте вони нестійкі і при зіткненні з більш стійкою фазою відбувається перехід. Наприклад, неважко отримати переохолоджену рідина, охолодивши чисту воду в посудині чистій нижче 0 C, проте при появі центру кристалізації рідка вода швидко перетворюється на лід.

Чиста вода здатна як переохолоджуватися не замерз до температури -33 C, так і бути перегріта до +200 C. За це її властивість вона отримала застосування в промисловості (наприклад в парових турбінах).

Існує тип води, яка має щільність на 40% вище нормальної і закипає при температурі +300 С. Цей різновид води була відкрита радянським ученим Б. В. Дерягиним на поверхні кристалів кварцу ^[2].

2.1.2. Ізотопні модифікації води

І кисень, і водень мають природні та штучні ізотопи. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) H ₂ O .
• Тяжёлая вода (дейтериевая) D ₂ O .
• Сверхтяжёлая вода (тритиевая) T ₂ O .
• тритий-дейтериевая вода T D O
• тритий-протиевая вода T H O
• дейтерий-протиевая вода D H O

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий - самый легкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м., тритий - самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м.

Відомо, що важка вода не підтримує життя, тобто більшість живих організмів (за винятком деяких мікроорганізмів і грибів) в такій воді вмирає ^[8].

По стабильным изотопам кислорода ¹⁶ O, ¹⁷ O и ¹⁸ O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. Насправді будь-яка вода містить усі різновиди молекул.

3. Хімічні властивості

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту и основание одновременно (катион H ⁺ анион OH ⁻). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pK _a ≈ ок. 16 .

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Вода реагирует при комнатной температуре:

• с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)
• з галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями
• з солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз
• з ангідридами і галогенангідриди карбонових і неорганічних кислот
• з активними металоорганічних сполук (діетілцінк, реактиви Гриньяра, метілнатрій і т. д.)
• з карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)
• з багатьма солями, утворюючи гідрати
• з боранів, сіланом
• с кетенами, недоокисью углерода
• з фторидами благородних газів

Вода реагує при нагріванні:

• з железом, магнием
• с углем, метаном
• з деякими алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

• с амидами, эфирами карбоновых кислот
• с ацетиленом и другими алкинами
• с алкенами
• з нітрилом

4. Вода в природе

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой. Вода є найважливішим речовиною всіх живих організмів на Землі. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

4.1. Атмосферные осадки

4.2. Вода за пределами Земли

Вода надзвичайно поширене речовина в космосі, проте через високий внутріжідкостного тиску вода не може існувати в рідкому стані в умовах вакууму космосу, від чого вона представлена ​​тільки у вигляді пари або льоду.

Одним из наиболее важных вопросов, связанных с освоением космоса человеком и возможности возникновения жизни на других планетах, является вопрос о наличии воды за пределами Земли в достаточно большой концентрации. Известно, что некоторые кометы более, чем на 50 % состоят из водяного льда. Не стоит, впрочем, забывать, что не любая водная среда пригодна для жизни - в частности, аккумуляторная батарея содержит 25 % раствор серной кислоты в воде (но жизнь в нем, очевидно, маловероятна ^{[ источник не указан 134 дня ]}, тем более, её возникновение).

В результате бомбардировки лунного кратера, проведённого 9 октября 2009 года НАСА с использованием космического аппарата LCROSS, впервые были получены достоверные свидетельства наличия на спутнике Земли водяного льда в больших объемах. ^[9]

Вода широко распространена в Солнечной системе, она есть почти везде, даже в атмосфере Венеры присутствует небольшое количество водяного пара. Наличие воды (в основном в виде льда) подтверждено на многих спутниках Юпитера и Сатурна: Энцеладе, Тефии, Європі, Ганимеде и др. Вода присутствует в составе всех комет и многих астероидов. Учёными предполагается что многие транснептуновые объекты имеют в своём составе воду.

Жидкая вода, предположительно, имеется под поверхностью некоторых спутников планет, наиболее вероятно, на Европе, спутнике Юпитера.

5. Исследования воды

5.1. Гідрологія

Гидроло́гия - наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.).

Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озёрах, водохранилищах, болотах, почвенных и подземных вод.

Гідрологія досліджує кругообіг води в природі, вплив на нього діяльності людини і управління режимом водних об'єктів і водним режимом окремих територій; проводить аналіз гідрологічних елементів для окремих територій і Землі в цілому; дає оцінку і прогноз стану та раціонального використання водних ресурсів; користується методами, застосовуваними в географії, фізиці та інших науках. Дані гідрології моря використовуються при плаванні і веденні бойових дій надводними кораблями і підводними човнами.

Гідрологія підрозділяється на океанологию, гідрологію суші і гідрогеологію.

Океанологія підрозділяється на біологію океану, хімію океану, геологію океану, фізичну океанологию, і взаємодія океану та атмосфери.

Гідрологія суші поділяється на гідрологію річок (річкову гідрологію, потамологію), Озерознавство (лимнология), болотознавство, гляціології.

5.2. Гідрогеологія

6. Біологічна роль

Вода відіграє унікальну роль як речовина, що визначає можливість існування і саму життя всіх істот на Землі. Вона виконує роль універсального розчинника, в якому відбуваються основні біохімічні процеси живих організмів. Унікальність води полягає в тому, що вона досить добре розчиняє як органічні, так і неорганічні речовини, забезпечуючи високу швидкість протікання хімічних реакцій і в той же час - достатню складність утворюються комплексних сполук. Завдяки водневого зв'язку, вода залишається рідкою у широкому діапазоні температур, причому саме в тому, який широко представлений на планеті Земля в даний час.

7. Застосування

7.1. Землеробство

Вирощування достатньої кількості сільськогосподарських культур на відкритих посушливих землях вимагає значних витрат води на іригацію, що доходять до 90% в деяких країнах.

7.2. Пиття і приготування їжі

Живе людське тіло містить від 55% до 78% води, в залежності від ваги і віку. Втрата організмом людини більше 10% води може привести до смерті. Для нормального функціонування організму людини потрібно засвоїти близько 3 літрів води за день залежно від температури і вологості навколишнього середовища, фізичної активності і т. д.

7.3. Розчинник

Вода є розчинником для багатьох речовин. Вона використовується для очищення як самої людини, так і різних об'єктів людської діяльності. Вода використовується як розчинник у промисловості.

7.4. Теплоносій

Схема роботи атомної електростанції на двоконтурних водо-водяними енергетичними реакторами ( ВВЕР)

Серед існуючих в природі рідин вода володіє найбільшою теплоємністю. Теплота її випаровування вище теплоти випаровування будь-яких інших рідин, а теплота кристалізації поступається лише аміаку. Як теплоносія воду використовують в теплових мережах, для передачі тепла по теплотрасах від виробників тепла до споживачів. Воду в якості льоду використовують для охолодження в системах громадського харчування, в медицині. Більшість атомних електростанцій використовують воду в якості теплоносія.

7.5. Сповільнювач

У багатьох ядерних реакторах вода використовується не тільки як теплоносій, а й сповільнювача нейтронів для ефективного протікання ланцюгової ядерної реакції. Також існують важководяний реактори, в яких як сповільнювач використовується важка вода.

7.6. Пожежогасіння

В пожежогасінні вода часто використовується не тільки як охолоджуюча рідина, а й для ізоляції вогню від повітря в складі піни.

7.7. Спорт

Багато видів спорту проходять на водних поверхнях, на льоду, на снігу і навіть у воді. Це підводне плавання, хокей, човнові види спорту, біатлон і пр.

7.8. Інструмент

Згинання

Вода використовується як інструмент для розпушування, розколювання і навіть різання порід і матеріалів. Вона використовується в добувної промисловості, гірничій справі і у виробництві. Досить поширені установки з різання водою різних матеріалів: від гуми до сталі. Вода, що виходить під тиском кілька тисяч атмосфер здатна розрізати сталеву пластину завтовшки кілька міліметрів, або більше при додаванні абразивних частинок.

7.9. Мастило

Вода застосовується як мастило для змащення підшипників з деревини, пластиків, текстоліту, підшипників з гумовими обкладками та ін Воду також використовують в емульсійних мастилах. ^[10]

8. Цікаві факти

• В середньому в організмі рослин і тварин міститься більше 50% води. ^[11]
• У складі мантії Землі води міститься в 10-12 разів більше, ніж кількість води в Світовому океані ^[12].
• При середній глибині в 3,6 км Світовий океан покриває близько 71% поверхні планети і містить 97,6% відомих світових запасів вільної води.
• Якби на Землі не було западин і опуклостей, вода покрила б всю Землю, і її товщина була б 3 км ^[13].
• Якби всі льодовики розтанули, то рівень води на Землі піднявся б на 64 м і близько 1 / 8 поверхні суші було б затоплено водою ^[14].
• Морська вода при звичайній її солоності 35 замерзає при температурі -1,91 C ^[15].
• Іноді вода замерзає при позитивній температурі ^[16].
• При певних умовах (усередині нанотрубок) молекули води утворюють новий стан, при якому вони зберігають здатність текти навіть при температурах, близьких до абсолютного нуля. ^[17]
• Вода відбиває 5% сонячних променів, у той час як сніг - близько 85%. Під лід океану проникає тільки 2% сонячного світла.
• Синій колір чистої океанської води пояснюється виборчим поглинанням і розсіюванням світла в воді.
• За допомогою крапель води з кранів можна створити напругу до 10 кіловольт, досвід називається " Крапельниця Кельвіна ".
• Існує наступна приказка з використанням формули води - H ₂ O: "Чоботи мої того - пропускають H ₂ O". Замість чобіт у приказці може брати участь і інша дірява взуття. ^{[18] [19] [20]}
• Вода - це одне з небагатьох речовин на Землі, які розширюються при переході з рідкої фази в тверду (окрім води, такою властивістю володіють вісмут, галій, свинець та деякі сполуки і суміші).
• Вода може горіти, якщо її помістити в атмосферу з фтором, іноді навіть з вибухом. При цьому виділяється кисень.

9. Додаткове читання

• Всеволод Арабаджи Загадки простої води.
• Л. Кульський, В. Даль, Л. Ленчина. Вода: знайома і загадкова
• Мембрана: Вперше створено п'ятикутні кристали льоду

Література

• Лосєв К. С. Вода - Л. : Гидрометеоиздат, 1989. - 272 с.
• Жорес Медведєв. Яка вода краще
• Гідробіонти в самоочищенні вод і біогенної міграції елементів. М.: МАКС-Пресс. 2008. 200 с. Передмова члена-корр. РАН В. В. Малахова. (Серія: Наука. Освіта. Інновації. Випуск 9). ISBN 978-5-317-02625-7.
• Про деякі питання підтримки якості води та її самоочищення / / Водні ресурси. 2005. т. 32. № 3. С. 337-347.
• Андрєєв В. Г. Вплив протонного обменнного взаємодії на будову молекули води і міцність водневого зв'язку. Матеріали V Міжнародної конференції "Актуальні проблеми науки в Росії", Кузнецк 2008, т.3 с.58-62.

Примітки