Вода

ВОДА (оксид водорода), простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, Н₂О; при нормальных условиях - жидкость без запаха, вкуса и цвета. Одно из самых распространённых на Земле соединений, играющее исключительно важную роль в разнообразных процессах живой и неживой природы Земли. Истинный состав воды как сложного вещества был впервые установлен А. Лавуазье в 1783 году.

Греческое название ?δωρ (смотри Гидро...), латинский aqua - аква.

Распространённость в природе. Вода образует гидросферу, входит в связанном виде в состав различных минералов и горных пород, является обязательным компонентом всех живых организмов, присутствует в почве и атмосфере. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве; вода входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы, спутников.

Количество воды на поверхности Земли оценивается в 1,39?10²¹ кг, большая часть содержится в морях и океанах (1,34?10²¹ кг); смотри также таблицу в статье Воды суши. В глубинных слоях Земли воды значительно больше, чем на поверхности, - (1,1-1,3) ?10²¹ кг в литосфере, (1,3-1,5) ?10²² кг в мантии Земли. Количество доступных пресных вод составляет 2?10¹⁷ кг. В атмосфере находится около 1,3?10¹⁶ кг. На Земле существует постоянный кругооборот воды (смотри Влагооборот, Водный баланс).

Природная вода всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества, а также коллоидные частицы и микроорганизмы. Состав примесей зависит от происхождения воды. По минерализации различают следующие виды воды: атмосферные осадки (10-20 мг/кг), ультрапресные (до 200 мг/кг), пресные (200- 500 мг/кг), слабоминерализованные (0,5-1,0 г/кг), солоноватые (1-3 г/кг), солёные (3-10 г/кг), с повышенной солёностью (10-35 г/кг), переходные к рассолам (35-50 г/кг), рассолы (более 50 мг/кг); максимальные концентрации солей содержат вода соляных озёр (до 300 г/кг) и глубокозалегающие подземные воды (до 600 г/кг). В пресных водах преобладают ионы НСО^-₃, Са²⁺, Mg²⁺, Сl^-, Na⁺, SO^2-₄, К⁺ (смотри также Минеральные воды, Жёсткость воды). К микрокомпонентам природной воды относятся В, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I и др. Из растворённых газов в природных водах присутствуют N₂, О₂, СО₂, благородные газы, редко Н₂S и углеводороды. Концентрация органических веществ в водах рек около 20 мг/кг, в водах океана - около 4 мг/кг, причём их состав чрезвычайно разнообразен. Смотри также Гидрохимия.

Изотопный состав. Существует 9 разновидностей молекул воды, включающих только стабильные изотопы. Их содержание в природной воде в среднем составляет (мол. %): ¹Н₂¹⁶О - 99,73; ¹Н₂¹⁸O - 0,2; ¹Н₂¹⁷O - 0,04; ¹Η²Η¹⁶O - 0,03; остальные присутствуют в ничтожных количествах. Природная вода содержит также радиоактивный тритий. По физическим свойствам изотопные разновидности воды несколько различаются; тяжёлая вода существенно отличается по свойствам от природной.

Строение молекулы и физические свойства. Атомы Н и О в молекуле воды расположены в вершинах равнобедренного треугольника с длиной связи О-Н 0,0957 нм; валентный угол Н-О-Н 104,5°. Электронная плотность молекулы воды распределена таким образом, что возникают 4 полюса зарядов, расположенные в вершинах искажённого тетраэдра: два положительных на атомах Н и два отрицательных на неподелённых электронных парах атома О. Дипольный момент 6,17-10^-30 Кл м, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эв.

Вода может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Дипольные молекулы воды взаимодействуют друг с другом и с полярными молекулами других веществ (атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, Cl, S и др.). Каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи: две - как донор протонов, две - как акцептор. Средняя длина таких связей в кристаллических модификациях льда (известно 10 кристаллических модификаций льда) и кристаллогидратах около 0,28 нм. Угол О—Н???О стремится к 180°. В обычных условиях лёд существует в гексагональной модификации; угол Н-О-Н близок к тетраэдрическому (109,5°), что обусловливает рыхлость структуры льда. При увеличении внешнего давления лёд переходит в модификации с большей плотностью (рис.); максимальная плотность льда 1660 кг/м³.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, сохраняется и в жидкой воде Установлено объединение молекул воды в ассоциаты и даже в обширные кластеры (130 молекул Н₂О при 0 °С, 90 - при 20 °С, 60 - при 72 °С, время жизни 10^-11-10^-10 с).

Некоторые параметры, характеризующие основные физические свойства воды в различных агрегатных состояниях (при давлении 1013,25 гПа), приведены далее:

Строение молекулы воды и наличие водородных связей обусловливают аномалию физических свойств. Так, плотность воды имеет максимум (1000 кг/м³) при 3,98 °С и при замерзании резко падает (увеличение объёма на 9%). Увеличение плотности при плавлении объясняется вхождением части несвязанных молекул воды в пустоты трёхмерной сетки. С другой стороны, усиливающееся при нагревании тепловое движение молекул обусловливает уменьшение плотности. Наличие этих двух противоположных тенденций объясняет своеобразную - возникновение максимума - зависимость объёма воды от температуры. Наличие пустот в структуре льда является также причиной способности воды к значительному переохлаждению (вплоть до -30 °С). Кроме того, высокая прочность водородных связей (около 21 кДж/моль) объясняет высокие значения температур кипения и плавления, удельных теплот плавления и кипения, диэлектрической проницаемости и др. Аномалии наблюдаются также в температурной зависимости удельной теплоёмкости (минимум при 35 °С), уменьшении вязкости с ростом давления, малой сжимаемости и её уменьшении с ростом температуры. Тройная точка воды (равновесие жидкая вода - лёд - пар) соответствует температуре 0,01 °С и давлению 6,1 гПа. О физических свойствах воды в твёрдом состоянии смотри также в статье Лёд.

Вода как растворитель. Высокие диэлектрическая проницаемость и дипольный момент воды определяют её хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Обычно растворимость возрастает с увеличением температуры. Растворимость в воде малополярных веществ (в том числе газов) сравнительно мала. С ростом давления и при понижении температуры растворимость газов возрастает. Многие вещества реагируют с водой при растворении. Между растворёнными в воде ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в химические реакции, и молекулами воды существуют ион-дипольные и межмолекулярные взаимодействия (смотри Гидратация).

Вследствие высокой растворяющей способности воды получить её в чистом виде трудно. Для научных исследований, в медицине и пр. применяют дистиллированную воду, абсолютно чистую воду синтезируют из Н₂ и О₂. Для бытовых и технических целей воду очищают (смотри Водоподготовка).

Химические свойства. Вода - слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: Н₂O_→^← Н⁺+OH^- (смотри Электролитическая диссоциация). Протон мгновенно гидратируется с образованием ионов гидроксония Н₃O⁺ (энтальпия образования -1121,3 кДж/моль). Степень диссоциации воды возрастает при повышении температуры. Диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов Н⁺ - важная характеристика водных растворов (смотри Водородный показатель).

Образование воды из элементов при низких температурах происходит крайне медленно; скорость реакции резко возрастает при повышении температуры (при 550 °С - со взрывом). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация воды. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н₂, Н₂O₂ и свободных радикалов (Н?, ОН?, HO?₂).

Вода окисляется атомарным кислородом до Н₂О₂. При взаимодействии воды с F₂ образуются HF и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода образует смеси кислот (например, НСl и HClO). При пропускании паров воды через раскалённый уголь Н₂О разлагается на водяной газ (СО и Н₂). При повышенной температуре в присутствии катализатора реагирует с СО и углеводородами с образованием Н₂ (используют для промышленного получения Н₂; смотри Водородная энергетика). Вода  взаимодействует с наиболее активными металлами с образованием Н₂ и соответствующего гидроксида. При взаимодействии воды со многими оксидами образуются кислоты или основания. С солями образует кристаллогидраты, со многими газами при низких температурах (инертные газы, углеводороды) - соединения включения, газовые гидраты. Присоединение воды к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов, альдегидов и кетонов.

Значение. Без воды невозможно существование живых организмов. Воде  принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании среды, климата и погоды. Благодаря высоким значениям удельной теплоёмкости, теплоты плавления и теплоты испарения, вода оказывает стабилизирующее воздействие на температуру поверхности Земли. Аномальная зависимость плотности от температуры и низкая плотность льда препятствуют промерзанию водоёмов, что обусловливает существование в них жизни. Некоторые из физических свойств воды положены в основу определения единиц измерения фундаментальных физических констант (массы, плотности, температуры, теплоты и удельной теплоёмкости). Вода  - обязательный компонент многих технологических процессов (в том числе рабочее тело в паровых машинах, растворитель, хладагент, теплоноситель), химический реагент в промышленном производстве ряда кислот, щелочей, кислорода, водорода и пр., компонент лекарственных средств, продуктов питания и пр.; морская и озёрная вода, а также рассолы - сырьевой источник. Смотри также Водные ресурсы.

Лит.: Water, а comprehensive treatise / Ed. F. Franks. N.Y., 1972-1982. Vol. 1-7; Pивкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. 2-е изд. М., 1984; Антонченко В. Я. Физика воды. К., 1986; Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. 3-е изд. М., 1998; Яшкичев В. И. Вода, движение молекул, структура, межфазные процессы и отклик на внешние воздействия. М., 1998; Frost Н. Water as а liquid. Mankato, 2000; idem. Water as а solid. Mankato, 2000; idem. Water as а gas. Mankato, 2000; Артемьева С. Вода: (Свойства, ресурсы, использование). Рекомендательный указатель литературы. М., 1981.