Вода

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, бóльшая часть содержится в морях и океанах (1,34·10²¹ кг). 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.

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 воды соляных озёр (до 300 г/кг) и глубокозалегающие подземные воды (до 600 г/кг). В пресных водах преобладают ионы HCO₃ ^– , Ca²⁺ , Mg²⁺ , Cl^– , Na⁺ , SO₄ ^2– , K⁺ . К микрокомпонентам природной воды относятся B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I и др. Из растворённых газов в природных водах присутствуют N₂ , O₂ , CO₂ , благородные газы, редко H₂ S и углеводороды. Концентрация органических веществ в водах рек около 20 мг/кг, в водах океана – около 4 мг/кг, причём их состав чрезвычайно разнообразен.

Существует 9 разновидностей молекул воды, включающих только стабильные изотопы. Их содержание в природной воде в среднем составляет (мольный %): ¹ H₂ ¹⁶ O – 99,73; ¹ H₂ ¹⁸ O – 0,2; ¹ H₂ ¹⁷ O – 0,04; ¹ H² H¹⁶ O – 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.

Атомы H и O в молекуле воды расположены в вершинах равнобедренного треугольника с длиной связи O–H 0,0957 нм; валентный угол H–O–H 104,5°. Электронная плотность молекулы воды распределена таким образом, что возникают 4 полюса зарядов, расположенные в вершинах искажённого тетраэдра: два положительных на атомах H и два отрицательных на неподелённых электронных парах атома O. 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 O, 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 O–H...O стремится к 180° (рис. 1). В обычных условиях лёд существует в гексагональной модификации; угол H–O–H близок к тетраэдрическому (109,5°), что обусловливает рыхлость структуры льда. При увеличении внешнего давления лёд переходит в модификации с большей плотностью; 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 H₂ O при 0 °C, 90 – при 20 °C, 60 – при 72 °C, время жизни 10^–11 –10^–10 с).

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

Физические свойства воды в разных агрегатных состояниях при атмосферном давлении

Строение молекулы воды и наличие водородных связей обусловливают аномалию физических свойств. Так, плотность воды имеет максимум (1000 кг/м³ ) при 3,98 °C 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 °C). 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 °C), 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 °C и давлению 6,1 гПа (рис. 2).

О физических свойствах воды в твёрдом состоянии см. также в статье Лёд.

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 c 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.

Вследствие высокой растворяющей способности воды получить её в чистом виде трудно. Для научных исследований, в медицине и др. применяют дистиллированную воду; абсолютно чистую воду синтезируют из H₂ и O₂ . Для бытовых и технических целей воду очищают.

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: ${\displaystyle H_{2}O\rightleftarrows H^{+}+OH^{-}}$. Протон мгновенно гидpатиpуется с образованием ионов гидpоксония H₃ O⁺ (энтальпия образования –1121,3 кДж/моль). Степень диссоциации воды возрастает при повышении температуры. Диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов H⁺ – важная характеристика водных растворов.

Образование воды из элементов при низких температурах происходит крайне медленно; скорость реакции резко возрастает при повышении температуры (при 550 °C – со взрывом). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация воды. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием H₂ , H₂ O₂ и свободных радикалов (H^* , OH^* , HO₂ ^* ).

Вода окисляется атомарным кислородом до H₂ O₂ . При взаимодействии воды с F₂ образуются HF и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах воды образует смеси кислот (например, HCl и HClO). При пропускании паров воды через раскалённый уголь H₂ O разлагается на водяной газ (CO и H₂ ). При повышенной температуре в присутствии катализатора реагирует с CO и углеводородами с образованием H₂ (используют для промышленного получения H₂ ). Вода взаимодействует с наиболее активными металлами с образованием H₂ 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.

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, компонент лекарственных средств, продуктов питания; морская и озёрная вода, а также рассолы – сырьевой источник.

Биологическая роль воды обусловлена её уникальной химической структурой. В водной среде возникла жизнь. Для водных и околоводных организмов вода служит средой обитания. Недостаток воды вызывает нарушение жизнедеятельности всех организмов, а её длительное отсутствие могут переносить лишь покоящиеся формы жизни (споры, семена растений). В большинстве случаев вода является неотъемлемым компонентом живых организмов; она находится внутри клеток и служит основой внеклеточных жидкостей (например, гемолимфа и кровь у животных, флоэмный и ксилемный потоки у растений). Функции воды многообразны – она служит растворителем для различных соединений, средой для реакций обмена веществ, определяет объём клеток и внеклеточных жидкостей, обеспечивает транспорт веществ в организме, участвует в терморегуляции. Содержание воды в разных организмах различается: например, у водорослей на долю воды приходится 90–98 %, в листьях наземных растений – 75–86, в семенах злаков – 12–14, у мхов и лишайников – 5–7, у кишечнополостных – 95–98, у насекомых – 45–65, у млекопитающих – 60–70 %; неодинаково оно и в различных органах и тканях: например, в корковом веществе почки крыс – 74,6 % воды, в мышце – 75,1, в белом веществе мозга – 76,4, в сером – 79,8 %.

В организм вода поступает из внешней среды; она появляется там также в ходе метаболизма (например, у животных при окислении 100 г жиров образуется 107 мл воды, а при окислении 100 г углеводов – 55 мл). Транспорт молекул воды через биологические мембраны происходит по специальным каналам – аквапоринам. Всасывание воды через мембраны зависит от их осмотической проницаемости и определяется градиентом концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам мембраны. В организме образование воды, практически не содержащей растворённых веществ, происходит в некоторых отделах канальцев выделительных органов, протоках ряда желёз с внешней секрецией и сократительных вакуолях. Образование и выделение гипертонических жидкостей (секреты солевых желёз, моча) способствуют стабилизации водного баланса и осмоляльности (общего количества растворённых веществ) жидкостей внутренней среды организма. У живых существ сформировались системы стабилизации водного обмена при обитании в средах, контрастных по солевому составу и доступности воды (пресные водоёмы, моря, пустыни), это обеспечивается системами осморегуляции и волюморегуляции (поддержания постоянства объёма жидкости тела).

В организме человека вода находится в различных жидкостных фазах: внутриклеточной (около 55 % всей воды тела) и внеклеточной (45 %) – в сосудах (кровь, лимфа) и в межклеточном пространстве. Содержание воды уменьшается с возрастом: у новорождённого ребёнка 79 % от массы тела, в возрасте 3–6 месяцев – 70 %, у 6–12-месячных – около 60 %. У мужчин содержание воды выше, чем у женщин: в возрасте 16–39 лет около 60 % от массы тела, в 40–59 лет – 55 %, в 60 лет и старше – около 51 % и меньше, у женщин соответственно 50, 46,7 и 45,5 %.