Вода

Вода́, оксид водню (давньогрец. ὕδωρ ― гідро, лат. aqua ― аква) — найпростіша стійка хімічна сполука водню з киснем (H2O), за нормальних умов ― рідина без запаху, смаку і кольору. Одна з найпоширеніших на планеті сполук, що відіграє надзвичайну роль в різноманітних процесах живої і неживої природи Землі. У природі існує у трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Склад води вперше був встановлений А. Л. Лавуазьє в 1783.

На Землі відбувається постійний кругообіг води
Два агрегатні стани води - твердий (лід) та рідкий (вода)
Газоподібний стан води - випаровування з поверхні ґрунту

Характеристика

Поширення

Вода утворює гідросферу Землі, входить у зв’язаному вигляді до складу різних мінералів та гірських порід, є обов'язковим компонентом усіх живих організмів, присутня в атмосфері та ґрунті. На Землі існує постійний кругообіг води. Молекули води виявлені в міжзоряному середовищі; вона входить до складу комет, більшості планет Сонячної системи та їхніх супутників. Поверхня Землі на 70,8 % покрита водою. Кількість води на Землі оцінюють у 1 386 млн км3. Близько 97,5 % ― солона вода океанів і морів (середня солоність 35 ‰), частини підземних водоносних горизонтів і соляних озер. Лише 2,5 % від загальної кількості води становить прісна вода (з мінералізацією до 1,0 г/дм3). Вона є основою водних ресурсів, знаходиться в основному в льодовиках (1,74 %) і підземних водах (близько 0,76 %), і лише невелика частина (0,007 %) в річках і озерах.

Природна вода завжди містить розчинені солі, гази та органічні речовини, а також колоїдні частинки і мікроорганізми. Склад домішок залежить від походження води. За мінералізацією розрізняють наступні типи води: атмосферні опади (10–20 мг/дм3), ультрапрісні (до 200 мг/дм3), прісні (200–500 мг/дм3), слабомінералізовані (0,5–1,0 г/дм3), солонуваті (1–3 г/дм3), солоні (3–10 г/дм3), з підвищеною солоністю (10–35 г/дм3), перехідні до розсолу (35–50 г/дм3), розсоли (понад 50 г/дм3). Максимальні концентрації солей характерні для води соляних озер (до 300 г/дм3) та глибоких підземних вод (до 600 г/дм3).

У прісних водах переважають йони (макрокомпоненти):

НСО3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+.

До мікрокомпонентів у природних водах належать:

B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I та інші.

З розчинених газів у природних водах присутні:

N2, O2, CO2, благородні гази, рідко H2S та вуглеводні.

Концентрація органічних речовин у воді річок близько 20 мг/дм3, у водах океану ― близько 4 мг/дм3; їхній склад надзвичайно різноманітний.

При водопостачанні населених пунктів питну воду очищають на водопровідних спорудах.

Модель структури молекули води (H2O)
Розташування атомів водню в молекулі води утворює кут 104,45o з вершиною в центрі атому кисню
Спрощена просторова модель формування водневих зв'язків між молекулами води

Ізотопний склад

Водень має два стабільних ізотопи: протій (Н) ― 1H і дейтерій (D) ― 2H.

Вперше існування ізотопів водню було підтверджено в 1932 Г. К. Юрі. У кисню три стійких ізотопи: 16O, 17O і 18O. Комбінації 5 стабільних ізотопів водню і кисню дають набір з 9 різновидів молекул води. Їхній вміст у природних водах в середньому становить (мол. %): 1H216O — 99,73; 1H218O — 0,2; 1H217O — 0,04; 1H2H16O — 0,03; інші різновиди присутні в незначних кількостях.

Молекула 1H216O (основна складова звичної людям води) є найлегшою з різновидів. Важка вода (2H2O), яку отримують штучно, істотно відрізняється за властивостями від природної. Природна вода містить також радіоактивний тритій (3Н).

Будова молекули і фізичні властивості

Атоми H і O в молекулі води розташовані у вершинах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку O—H 0,0957 нм; валентний кут H—O—H. Атоми водню приєднані до атома кисню, утворюють кут 104,45 °. Електронна густина молекули води розподілена таким чином, що виникають 4 полюси зарядів, розташовані у вершинах спотвореного тетраедра: два позитивних на атомах H і два негативних на неподілених електронних парах атома O. Дипольний момент 6,17·10-30 Кл·м, енергія йонізації 12,6 еВ, спорідненість до протону 7,1 еВ.

Дипольні молекули води взаємодіють одна з одною і 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) і кристалогідратів — близько 0,28 нм. Кут O —HO прагне до 180 °. За звичайних умов лід існує в гексагональній модифікації; кут H—O—H близький до тетраедродного (109,5 °), що зумовлює рихлість структури льоду. При збільшенні зовнішнього тиску лід переходить у модифікації з більшою густиною; максимальна густина льоду —1 660 кг/м3.

Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, зберігається і в рідкій воді. Виявлено об'єднання молекул води в асоціації і навіть у великі кластери (130 молекул H2O при 0 °C, 90 ― при 20 °C, 60 ― при 72 °C, тривалість існування 10-11–10-10 с).

Фазова діаграма води: на вертикальній осі - тиск в Па, на горизонтальній - температура в кельвінах. Позначено критична (647,3 K; 22,1 МПа) та потрійна (273,16 K; 610 Па) точки. Римськими цифрами - різні структурні модифікації льоду

Аномалії фізичних властивостей

Будова молекули води та наявність водневих зв'язків обумовлюють аномалію фізичних властивостей. Так, густина води максимальна (1 000 кг/м3) при 3,98 °C і при замерзанні різко падає (збільшення об’єму на 9 %). Збільшення густини при плавленні пояснюється входженням частини незв'язаних молекул води в порожнечі тривимірної сітки. Тепловий рух молекул, що посилюється при нагріванні, зумовлює зменшення густини. Наявність цих двох протилежних тенденцій пояснює своєрідну залежність об’єму води від температури.

Наявність пустот в структурі льоду є також причиною здатності води до значного переохолодження (до –30 °C). Висока міцність водневих зв'язків (близько 21 кДж/моль) пояснює високі значення температури кипіння і плавлення, питомої теплоти плавлення і кипіння, діелектричної проникності тощо.

Аномалії спостерігаються також в температурній залежності питомої теплоємності (мінімум при 35 °C), зменшенні в'язкості зі зростанням тиску, малій стисливості та її зменшенні зі зростанням температури. Потрійна точка води (рівновага: рідка вода ― лід ― пара) відповідає температурі 0,01 °C і тиску 6,1 гПа.

Вода як розчинник

Високі діелектрична проникність і дипольний момент води визначають її хорошу розчинну здатність по відношенню до полярних і йоногенних речовин. Зазвичай розчинність зростає зі збільшенням температури. Розчинність у воді малополярних речовин (включно з газами) порівняно мала. З ростом тиску і при зниженні температури розчинність газів зростає. Багато речовин реагують з водою при розчиненні. Між розчиненими у воді йонами, атомами, молекулами, які не вступають з нею в хімічні реакції, і молекулами води існують йон-дипольні і міжмолекулярні взаємодії.

Внаслідок високої розчинної здатності води отримати її в чистому вигляді важко. Для наукових досліджень, в медицині та ін. застосовують дистильовану воду. Абсолютно чисту воду синтезують з H2 і O2.

Хімічні властивості

Вода — слабкий електроліт, що дисоціює за рівнянням:

H2O⇄H+ + OH-.

Протон миттєво гідpатується з утворенням йонів гідpоксонія H3O+ (ентальпія утворення ― 1 121,3 кДж/моль). Ступінь дисоціації води зростає з підвищенням температури. Дисоціація води ― причина гідролізу солей слабких кислот і основ. Концентрація йонів H+ (рН) ― важлива характеристика водних розчинів (водневий показник).

Утворення води з елементів за низьких температур відбувається вкрай повільно; швидкість реакції різко зростає з підвищенням температури (при 550 °C ― з вибухом). Під дією ультрафіолетового випромінювання відбувається фотодисоціація води. Йонізуюче випромінювання викликає радіоліз води з утворенням H2, H2O2 і вільних радикалів (H+, OH-, HO2-). Вода окиснюється атомарним киснем до H2O2. При взаємодії води з F2 утворюються HF та інші сполуки. З іншими галогенами за низьких температур вода утворює суміші кислот (наприклад, HCl і HClO). При пропусканні парів води через розпечене вугілля H2O розкладається на водяний газ (CO і H2). При підвищеній температурі у присутності каталізатора реагує з CO і вуглеводнями з утворенням H2 (використовують для промислового отримання H2). Вода взаємодіє з найбільш активними металами з утворенням H2 і відповідного гідроксиду. При взаємодії води з багатьма оксидами утворюються кислоти або основи. З солями утворює кристалогідрати, з багатьма газами за низьких температур (інертні гази, вуглеводні) ― сполуки включення, газові гідрати. Приєднання води до молекул ненасичених вуглеводнів лежить в основі промислового способу отримання спиртів, альдегідів і кетонів.

Біологічна роль

На думку вчених, у водному середовищі виникло життя. Для водних і земноводних організмів вода є місцем існування. Нестача води викликає порушення життєдіяльності всіх організмів, а її тривалу відсутність можуть переносити лише форми життя, що знаходяться у стані спокою (спори, насіння рослин). У більшості випадків вода є невід'ємним компонентом живих організмів; вона знаходиться всередині клітин і служить основою позаклітинних рідин: наприклад, гемолімфа і кров у тварин, флоемний (див. Флоема) і ксилемний (див. Ксилема) потоки у рослин).

Вміст води в різних організмах різниться: у водоростей на частку води припадає 90–98 %, у листі наземних рослин ― 75–86, в насінні злаків ― 12-14, у мохів та лишайників ― 5–7, у кишковопорожнинних ― 95–98, у комах ― 45–65, у ссавців ― 60–70 %. В організм вода надходить із зовнішнього середовища; вона утворюється там також у процесі метаболізму (наприклад, у тварин при окисленні 100 г жирів утворюється 107 дм3 води, а при окисленні 100 г вуглеводів ― 55 дм3).

В організмі людини вода знаходиться в різних рідинних фазах: внутрішньоклітинній (близько 55 % всієї води тіла) і позаклітинній (45%) ― в судинах (кров, лімфа) і в 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, в 40–59 років ― 55%, в 60 років і старше ― близько 51 % і менше, у жінок відповідно 50, 46,7, 45,5 %.

Значення

Без води неможливе існування живих організмів. Воді належить найважливіша роль в геологічній історії Землі і виникненні життя, в формуванні довкілля, клімату і погоди. Завдяки високим значенням питомої теплоємності, теплоти плавлення і теплоти випаровування, вода здійснює стабілізуючий вплив на температуру поверхні Землі.

Аномальна залежність густини від температури і низька густина льоду перешкоджають промерзанню водойм, що обумовлює існування в них життя.

Вода ― обов'язковий компонент багатьох технологічних процесів (зокрема робоче тіло в парових машинах, розчинник, холодоагент, теплоносій), хімічний реагент в промисловому виробництві низки кислот, лугів, кисню, водню та ін., компонент лікарських засобів, продуктів харчування тощо. Прісна вода ― незамінний водний ресурс людства; морська і озерна вода, а також розсоли ― сировинне джерело.

Література

  1. Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Г. Вода знакомая и загадочная. Киев : Радянська школа, 1982. 120 с.
  2. Лосев К. С. Вода. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1989. 272 с.
  3. Ball P. Life's matrix: a biography of water (1st ed.). University of California Press, 2001. 435 p.
  4. World water resources at the Beginning of the 21st Century / Ed. by I.A. Shiklomanov and J.C. Rodda. Cambridge: University Press, 2003. 496 p.
  5. Franks F. Water: a matrix of life (2nd ed.). Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2007. 192 р.
  6. Гончарук В. В. Наука о воде. Киев : Наукова думка, 2010. 511 c.
  7. Хільчевський В. К., Осадчий В. І., Курило С. М. Основи гідрохімії. Київ : Ніка-Центр, 2012. 312 с.
  8. Осадчий В. І., Набиванець Б. Й., Линник П. М. та ін. Процеси формування хімічного складу поверхневих вод. Київ : Ніка-Центр, 2013. 239 с.
  9. Goncharuk V.V. Science about water. Kyiv : Akademperiodyka, 2014. 440 p.
  10. Khilchevskyi V. K, Kurylo S. M., Sherstyuk N. P. Chemical composition of different types of natural waters in Ukraine // Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2018. 27(1). 68–80.

Автор ВУЕ

В. К. Хільчевський


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Хільчевський В. К. Вода // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Вода (дата звернення: 25.07.2021).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
16.05.2021

Відео

Вода. Чому лід плаває у рідкій воді [TED-Ed]
Що трапиться, якщо не пити воду [TED-Ed]
Офіційний телеграм-канал ВУЕОфіційний телеграм-канал ВУЕ