ВОДА́
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ВОДА́ (оксид водорода), простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, $\ce{H2O}$; 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 В. как сложного вещества был впервые установлен А. Лавуазье в 1783. Греческое название ὕδωρ (см. Гидро...), лат. aqua – аква.
Распространённость в природе
В. образует гидросферу, входит в связанном виде в состав разл. минералов и горных пород, является обязательным компонентом всех живых организмов, присутствует в почве и атмосфере. Молекулы В. обнаружены в межзвёздном пространстве; В. входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы, спутников.
Количество В. на поверхности Земли оценивается в 1,39·1021 кг, бóльшая часть содержится в морях и океанах (1,34·1021 кг); см. также табл. в ст. Воды суши. В глубинных слоях Земли В. 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 В. составляет 2·1017 кг. В атмосфере находится ок. 1,3·1016 кг. На Земле существует постоянный кругооборот В. (см. Влагооборот, Водный баланс).
Природная В. всегда содержит растворённые соли, газы и органич. вещества, а также коллоидные частицы и микроорганизмы. Состав примесей зависит от происхождения В. По минерализации различают следующие виды В.: 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); макс. концентрации солей содержат В. соляных озёр (до 300 г/кг) и глубокозалегающие подземные В. (до 600 г/кг). В пресных В. преобладают ионы $\ce{HCO_3^{\:-}, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Cl^{\:–}, Na^+, SO_4^{2-}, K^+}$,
(см. также Минеральные воды, Жёсткость воды). К микрокомпонентам природной В. относятся $\ce{B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I}$ и др. Из растворённых газов в природных В. присутствуют $\ce{N_2, O_2, CO_2}$, благородные газы, редко $\ce{H_2S}$ и углеводороды. Концентрация органич. веществ в В. рек ок. 20 мг/кг, в В. океана – ок. 4 мг/кг, причём их состав чрезвычайно разнообразен. См. также Гидрохимия.
Изотопный состав
Существует 9 разновидностей молекул В., включающих только стабильные изотопы. Их содержание в природной В. в среднем составляет (мол. %): $\ce{^1H2\:^{16}O – 99,73;\: ^1H2\:^18O – 0,2;\: ^1H2^\:^17O – 0,04;\: ^1H^2H\:^16O – 0,03}$; остальные присутствуют в ничтожных количествах. Природная В. содержит также радиоактивный тритий. По физич. свойствам изотопные разновидности В. несколько различаются; тяжёлая вода существенно отличается по свойствам от природной.
Строение молекулы и физические свойства
Атомы $\ce{H}$ и $\ce{O}$ в молекуле В. расположены в вершинах равнобедренного треугольника с длиной связи $\ce{O─H}$ 0,0957 нм; валентный угол $\ce{H─O─H}$ 104,5°. Электронная плотность молекулы В. распределена таким образом, что возникают 4 полюса зарядов, расположенные в вершинах искажённого тетраэдра: два положительных на атомах $\ce{H}$ и два отрицательных на неподелённых электронных парах атома $\ce{O}$. Дипольный момент 6,17·10–30 Кл·м, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ.
В. может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Дипольные молекулы В. взаимодействуют друг с другом и с полярными молекулами др. веществ (атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами $\ce{O, N, F, Cl, S}$ и др.). Каждая молекула В. 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 ок. 0,28 нм. Угол $\ce{O─HO}$ стремится к 180°. В обычных условиях лёд существует в гексагональной модификации; угол $\ce{H─O─H}$ 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 В. Установлено объединение молекул воды в ассоциаты и даже в обширные кластеры (130 молекул $\ce{H_2O}$ при 0 °C, 90 – при 20 °C, 60 – при 72 °C, время жизни 10–11–10–10 с).
Некоторые параметры, характеризующие основные физические свойства В. в различных агрегатных состояниях (при давлении 1013,25 гПа), приведены далее:
| Температура кипения, °С | 100 |
| Температура плавления, °С | 0 |
| Температура критическая, °С | 374,15 |
| Давление критическое, МПа | 22,06 |
| Плотность критическая, кг/м3 | 322 |
| Теплота плавления, кДж/моль | 5,99 |
| Теплота испарения, кДж/моль | |
| при 100 °С | 40,649 |
| Плотность, кг/м3 лёд (гексагональная структура) | |
| при 0 °С | 916,8 |
| жидкость | |
| при 0 °С | 999,87 |
| при 3,98 °С | 1000 |
| при 20 °С | 998,23 |
| при 100 °С | 958,38 |
| Теплопроводность, мВт/(м·К) жидкость | |
| при 0 °С | 561 |
| при 20 °С | 598,5 |
| при 100 °С | 678,8 |
| Удельная электропроводность, Ом-1·м-1 | |
| лёд при 0 °С | 0,4·10-10 |
| жидкость | |
| при 0 °С | 1,47·10-10 |
| при 50 °С | 18,9·10-10 |
| Удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К) жидкость | |
| при 0 °С | 4217 |
| при 15 °С | 4168 |
| при 40 °С | 4179 |
| при 100 °С | 4216 |
| Диэлектрическая проницаемость | |
| лёд при 0 °С | 74,6 |
| жидкость при 20 °С | 81 |
| Показатель преломления | |
| лёд при 0 °С | 1,3104 |
| жидкость при 20 °С | 1,33299 |
| Динамическая вязкость, мПа·с жидкость | |
| при 0 °С | 1,792 |
| при 20 °С | 1,005 |
| при 100 °С | 0,2821 |
| Поверхностное натяжение, мН/м жидкость на границе с воздухом | |
| при 0 °С | 75,65 |
| при 20 °С | 72,74 |
| при 100 °С | 58,92 |
Строение молекулы В. и наличие водородных связей обусловливают аномалию физич. свойств. Так, плотность В. 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 В. в пустоты трёхмерной сетки. С др. стороны, усиливающееся при нагревании тепловое движение молекул обусловливает уменьшение плотности. Наличие этих двух противоположных тенденций объясняет своеобразную – возникновение максимума – зависимость объёма В. от темп-ры. Наличие пустот в структуре льда является также причиной способности В. к значительному переохлаждению (вплоть до –30 °C). Кроме того, высокая прочность водородных связей (ок. 21 кДж/моль) объясняет высокие значения темп-р кипения и плавления, удельных теплот плавления и кипения, диэлектрич. 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 темп-ры. Тройная точка В. (равновесие жидкая В. – лёд – пар) соответствует темп-ре 0,01 °C и давлению 6,1 гПа. О физич. свойствах В. в твёрдом состоянии см. также в ст. Лёд.
Вода как растворитель
Высокие диэлектрич. проницаемость и дипольный момент В. определяют её хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Обычно растворимость возрастает с увеличением темп-ры. Растворимость в В. малополярных веществ (в т. ч. газов) сравнительно мала. С ростом давления и при понижении темп-ры растворимость газов возрастает. Мн. вещества реагируют c В. при растворении. Между растворёнными в В. ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в химич. реакции, и молекулами В. существуют ион-дипольные и межмолекулярные взаимодействия (см. Гидратация).
Вследствие высокой растворяющей способности В. получить её в чистом виде трудно. Для науч. исследований, в медицине и пр. применяют дистиллированную воду; абсолютно чистую В. синтезируют из $\ce{H_2}$ и $\ce{O_2}$. Для бытовых и технич. целей В. очищают (см. Водоподготовка).
Химические свойства
В. – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: $\ce{H_2O⇄ H^+ +OH^{–}}$ (см. Электролитическая диссоциация). Протон мгновенно гидpатиpуется с образованием ионов гидpоксония $\ce{H_3O^+}$ (энтальпия образования –1121,3 кДж/моль). Степень диссоциации В. возрастает при повышении темп-ры. Диссоциация В. – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов $\ce{H^+}$ – важная характеристика водных растворов (см. Водородный показатель).
Образование В. из элементов при низких темп-рах происходит крайне медленно; скорость реакции резко возрастает при повышении темп-ры (при 550 °C – со взрывом). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация В. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз В. с образованием $\ce{H_2, H_2O_2}$ исвободных радикалов ($\ce{H^{*}, OH^{*}, HO_2^{*}}$).
В. окисляется атомарным кислородом до $\ce{H_2O_2}$. При взаимодействии В. с $\ce{F_2}$ образуются $\ce{HF}$ и др. соединения. С остальными галогенами при низких темп-рах В. образует смеси кислот (напр., $\ce{HCl}$ и $\ce{HClO}$). При пропускании паров В. через раскалённый уголь $\ce{H_2O}$ разлагается на водяной газ ($\ce{CO}$ и $\ce{H_2}$). При повышенной темп-ре в присутствии катализатора реагирует с $\ce{CO}$ и углеводородами с образованием $\ce{H_2}$ (используют для пром. получения $\ce{H_2}$; см. Водородная энергетика). В. взаимодействует с наиболее активными металлами с образованием $\ce{H_2}$ и соответствующего гидроксида. При взаимодействии В. со мн. оксидами образуются кислоты или основания. С солями образует кристаллогидраты, со мн. газами при низких темп-рах (инертные газы, углеводороды) – соединения включения, газовые гидраты. Присоединение В. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе пром. способа получения спиртов, альдегидов и кетонов.
Значение. Без В. невозможно существование живых организмов. В. принадлежит важнейшая роль в геологич. истории Земли и возникновении жизни, в формировании среды, климата и погоды. Благодаря высоким значениям удельной теплоёмкости, теплоты плавления и теплоты испарения, В. оказывает стабилизирующее воздействие на темп-ру поверхности Земли. Аномальная зависимость плотности от темп-ры и низкая плотность льда препятствуют промерзанию водоёмов, что обусловливает существование в них жизни. Некоторые из физич. свойств В. положены в основу определения единиц измерения фундам. физич. констант (массы, плотности, темп-ры, теплоты и удельной теплоёмкости). В. – обязательный компонент мн. технологич. процессов (в т. ч. рабочее тело в паровых машинах, растворитель, хладагент, теплоноситель), химич. реагент в пром. произ-ве ряда кислот, щелочей, кислорода, водорода и пр., компонент лекарственных средств, продуктов питания и пр.; морская и озёрная В., а также рассолы – сырьевой источник. См. также Водные ресурсы.
Биологическая роль
В. обусловлена её уникальной химич. структурой. В водной среде возникла жизнь. Для водных и околоводных организмов В. служит средой обитания. Недостаток В. вызывает нарушение жизнедеятельности всех организмов, а её длительное отсутствие могут переносить лишь покоящиеся формы жизни (споры, семена растений). В большинстве случаев В. является неотъемлемым компонентом живых организмов; она находится внутри клеток и служит основой внеклеточных жидкостей (напр., гемолимфа и кровь у животных, флоэмный и ксилемный потоки у растений). Функции В. многообразны – она служит растворителем для разл. соединений, средой для реакций обмена веществ, определяет объём клеток и внеклеточных жидкостей, обеспечивает транспорт веществ в организме, участвует в терморегуляции. Содержание В. в разных организмах различается: напр., у водорослей на долю В. 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 разл. органах и тканях: напр., в корковом веществе почки крыс – 74,6% В., в мышце – 75,1, в белом веществе мозга – 76,4, в сером – 79,8%.
В организм В. поступает из внешней среды; она появляется там также в ходе метаболизма (напр., у животных при окислении 100 г жиров образуется 107 мл В., а при окислении 100 г углеводов – 55 мл). Транспорт молекул В. через биологич. мембраны происходит по спец. каналам – аквапоринам. Всасывание В. через мембраны зависит от их осмотич. проницаемости и определяется градиентом концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам мембраны. В организме образование В., 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 внутр. среды организма. У живых существ сформировались системы стабилизации водного обмена при обитании в средах, контрастных по солевому составу и доступности В. (пресные водоёмы, моря, пустыни), это обеспечивается системами осморегуляции и волюморегуляции (поддержания постоянства объёма жидкости тела).
В организме человека В. находится в разл. жидкостных фазах: внутриклеточной (ок. 55% всей В. тела) и внеклеточной (45%) – в сосудах (кровь, лимфа) и в межклеточном пространстве. Содержание В. уменьшается с возрастом: у новорождённого ребёнка 79% от массы тела, в возрасте 3–6 мес – 70%, у 6–12-месячных – ок. 60%. У мужчин содержание В. выше, чем у женщин: в возрасте 16–39 лет ок. 60% от массы тела, в 40–59 лет – 55%, в 60 лет и старше – ок. 51% и меньше, у женщин соответственно 50, 46,7, 45,5%. См. также Водно-солевой обмен и Водный режим растений.

