ВОДА

ВОДА – оксид водорода H₂O.

В течение многих столетий вода считалась простым веществом. Лишь в 1783 французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) сумел разложить ее. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем количественный анализ воды проводили многие ученые. Долгое время образцовыми считались результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850), полученные около 1808: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) сделали более правильный анализ воды и нашли, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).

Изучая объемные отношения реагирующих газов, Гей-Люссак показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° С). На основании этих результатов с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом была выведена формула воды H₂O.

На нашей планете вода играет очень важную роль. В природе она совершает непрерывный круговорот. Под влиянием солнечной энергии жидкая вода (главным образом, в теплых морях и океанах) превращается в пар, который поднимается в верхние слои атмосферы. Это происходит благодаря тому, что водяной пар легче воздуха. Так происходит образование облаков, которые ветрами переносятся в другие части планеты, где в виде дождя и других осадков вода попадает на поверхность земли. Здесь она образует ручьи и реки, которые возвращают испаренную воду в океаны (рис. 1).

Чистой воды в природе нет. Даже наиболее чистая дождевая вода при падении через атмосферу растворяет газы и захватывает пыль. При ее испарении всегда остается небольшой остаток – около 0,03 г на литр. На поверхности земли вода дополнительно растворяет многие твердые вещества. Часть ее впитывается в почву. В глубине земли продолжается растворение различных веществ, так что при выходе на поверхность вода иногда образует минеральные источники. Ключевая и колодезная вода от растворенных в ней солей часто бывает жесткой.

Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. В конце концов, все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, получает взамен воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поставляемое реками в моря и океаны, огромно. Так, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 млн. т солей, Дунай в Черное море – 9 млн. т.

В океанской воде содержится около 35 г солей в литре. Столько же имеется в водах большинства морей. Однако для закрытых морей встречаются отклонения от средней солености, связанные с числом впадающих рек, средней температурой и другими факторами. Балтийское море содержит лишь 3–8 г солей на литр, а Красное – до 45 г. В соленых озерах содержание солей может быть намного больше: в Мертвом море – 228 г в одном литре, в оз. Эльтон – 270 г. В морской воде растворен, в основном, хлорид натрия; кроме того, имеются и другие соли натрия, магния, кальция.

Для научной работы, а также для фармацевтических и других целей, воду перегоняют (рис. 2). Для этого ее превращают в пар, который затем охлаждают, получая чистую дистиллированную воду. Примеси остаются в перегонном сосуде.

Молекула воды имеет угловое строение с длиной связи О–Н 96 пм и валентным углом Н-О-Н 104,5°. Молекула воды полярна, ее дипольный момент равен 1,86 Д.(Д –дебай, 1 Д = 3,34·10^-30 Кулон·м).

Природная вода содержит следы «тяжелой» воды (оксида дейтерия) D₂O. Физические свойства H₂O и D₂O заметно различаются.

Таблица: Физические свойства

	H2O	D2O
t плав.,°С	0,0	3,8
t кип., °С	100,0	101,4

Свойства воды служат точкой отсчета для многих физических величин. Так, температуры замерзания и кипения воды лежат в основе шкалы Цельсия. Один литр – это объем 1 кг чистой воды, взвешенной при +4 °С (при этой температуре вода имеет максимальную плотность).

Многие физические свойства воды аномальны по сравнению с другими жидкостями. Одной из причин этого служат малые размеры молекул воды – минимальные среди всех жидких веществ при обычных условиях. Однако наиболее важным свойством воды является ее способность образовывать прочные водородные связи.

В водяном паре при температуре кипения и атмосферном давлении присутствует около 1% димеров, в которых молекулы воды объединены в пары водородными связями. В жидком и твердом состоянии каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две как донор протонов и две – как акцептор протонов. Водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 3.).

Если бы водородных связей не было, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Водородные связи являются причиной и другого уникального свойства воды – при плавлении ее плотность возрастает. При 0°С плотность льда (0,9168 г/см³) меньше, чем плотности жидкой воды (0,9998 г/см³), поэтому лед плавает на поверхности воды. Если бы у льда была более высокая плотность, по мере замерзания он опускался бы на дно, что сделало бы жизнь в водоемах зимой невозможной.
Чтобы превратить воду в пар, надо затратить много энергии – около 44 кДж/моль. При обратном переходе пара в жидкую воду выделяется то же количество теплоты.

Вода устойчива при нагревании вплоть до 1000°С. При более высоких температурах она частично разлагается на водород и кислород. Эти же продукты образуются при электролизе воды.

Разложение воды искрами электрической машины заметили еще в 1789, а годом позже воду разложили с помощью гальванического электричества. В России это впервые было сделано профессором С.-Петербургской Медико-Хирургической Академии В.В. Петровым летом 1802 посредством огромной «гальвани-вольтовой батареи», состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков. Электролиз чистой воды идет очень медленно. Для более быстрого разложения воды электрическим током в нее добавляют какую-либо кислоту, щелочь или соль. Этот процесс иногда используют для получения чистого водорода и кислорода (рис. 4).

Под действием УФ-излучения вода распадается на ионы Н⁺ и ОН^–, а под действием ионизирующего излучения радиоактивных веществ – образует Н₂, Н₂О₂ и свободные радикалы Н*, ОН*, НО₂*.

Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми веществами. Большинство таких реакций протекает при высокой температуре. Только наиболее активные металлы (щелочные и щелочноземельные) и неметаллы (галогены) реагируют с водой при комнатной температуре. Однако при одновременном воздействии воды и окислителей даже при обычной температуре происходит разрушение металлов средней активности (таких как железо) в результате коррозии.

Очень сильными восстановителями вода восстанавливается до водорода, очень сильными окислителями – окисляется до кислорода.

Вода взаимодействует со многими основными оксидами с образованием гидроксидов. В реакциях воды с большинством кислотных оксидов образуются кислоты.

РЕАКЦИИ ВОДЫ

Таблица: Реакции воды

С простыми веществами:
металлами	неметаллами
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2	Cl2 + H2O⇋ HCl + HClO
2Fe + 3H2O = Fe2O3 + 3H2 (600 °C)	H2O + C ⇋ CO + H2 (800–1000 °C)
С оксидами:
основными	кислотными
CaO + H2O = Ca(OH)2	SO3 + H2O = H2SO4
Na2O + H2O = 2NaOH	N2O5 +H2O = 2HNO3
Термическое разложение: 2Н2О⇋ 2Н2 + О2

Некоторые сложные вещества полностью разлагаются водой – подвергаются необратимому гидролизу:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑

Вода может служить катализатором. Например, щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов воды. Иногда вода является каталитическим ядом, например, для железного катализатора при синтезе аммиака.
В результате образования водородных связей твердая вода (лед) имеет рыхлую структуру с обширными замкнутыми полостями двух типов: больших и малых. В этих полостях могут размещаться молекулы других веществ, имеющие соответствующие размеры. Они удерживаются в них ван-дер-ваальсовыми силами. Так образуются газовые гидраты – клатраты, соединения типа «гость-хозяин»,  в которых «гостями» являются молекулы газов или легкокипящих жидкостей (благородные газы, галогены, углеводороды и др.), а «хозяевами» – молекулы воды, образующие кристаллический каркас. По внешнему виду газовые гидраты напоминают снег или рыхлый лед, но могут существовать только при повышенном давлении и отрицательной (по Цельсию) температуре. Наиболее важным на сегодняшний день газовым гидратом является гидрат природного газа метана, колоссальные скопления которого обнаружены в недрах земли, в особенности на шельфе морей и океанов.

Газовые гидраты относятся к соединениям переменного состава. Если диаметр молекулы газа менее 0,52 нм (Ar, CH₄, H₂S), то в предельном случае могут заполниться и большие и малы полости кристаллической решетки. При полном заполнении всех полостей число молекул воды, приходящихся на одну молекулу «гостя», составляет 5,75 (например, 4Ar . 23H₂O). Молекулы «гостей» с диаметром от 0,52 до 0,59 нм (Br₂, CH₃SH, COS) могут заполнять лишь большие полости. В этом случае минимальной число молекул воды, приходящееся на одну молекулу «гостя», равно 7,66 (например, 3Br₂ . 23H₂O). Гидраты газов с диаметром молекул от 0,59 до 0,69 нм (C₃H₈, изо-C₄H₁₀, CHCl₃) имеют другую структуру и состав, например C₃H₈ . 17H₂O.

Вода хорошо растворяет многие вещества, имеющие ионное строение (соли, щелочи), а также вещества, молекулы которых полярны. Наличие в жидкой воде ассоциатов (элементов кристаллической структуры) наряду с большим дипольным моментом молекул приводит к высокой диэлектрической проницаемости воды (ε = 78,3 при 25 °С). Это вызывает заметное ослабление кулоновского притяжения в водной среде, а, следовательно, способствует электролитической диссоциации ионных и полярных ковалентных соединений. При этом полярные молекулы воды участвуют в процессе гидратации за счет притяжения соответствующих полюсов полярных молекул воды к образующимся катионам и анионам. В ряде случаев образующиеся связи являются настолько прочными, что можно говорить о возникновении аквакомплексов. Аквакомплексы обнаружены не только в водных растворах, но и во многих кристаллических структурах.

Твердые вещества, как правило, лучше растворяются при нагревании. При этом вещества с очень прочной кристаллической решеткой мало растворимы в воде. К ним относятся хлориды, бромиды и иодиды серебра и свинца, сульфаты щелочноземельных металлов и свинца, большинство гидроксидов, сульфидов, ортофосфатов и карбонатов металлов.

Газы обычно плохо растворяются в воде. Исключение составляют газообразные вещества, взаимодействующие с водой, например аммиак, хлороводород или диоксид серы. Растворимость всех газов возрастает при увеличении давления и, как правило, понижается при нагревании.

В жидкой воде одна из каждых 10 миллионов молекул диссоциирует, образуя ионы: катионы водорода Н⁺ и гидроксид-ионы ОН^–:
Н₂О ⇋  Н⁺ + ОН^–

Чистая вода содержит одинаковую молярную концентрацию катионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов ОН^–, и среда ее нейтральна. Однако при растворении многих веществ в воде концентрации ионов Н+ и ОН– изменяются. Если увеличивается концентрация катионов водорода, среда становится кислотной. При увеличении концентрации гидроксид-ионов среда становится щелочной. Определить характер среды можно с помощью индикаторов.

Таблица: Окраска индикаторов

Индикатор	Кислотная среда	Нейтральная среда	Щелочная среда
Лакмус	Красный	Фиолетовый	Синий
Фенолфталеин	Бесцветный	Бесцветный	Малиновый
Метиловый оранжевый	Розовый	Оранжевый	Желтый

Основания диссоциируют в водном растворе с образованием гидроксид-ионов, создавая щелочную среду:
NaOH = Na⁺ + OH^– (сильное основание)
NH₃ . H2O ⇋  NH₄+ + OH– (слабое основание)
При диссоциации кислот в растворе образуются катионы водорода, и среда становится кислотной.
H₂SO₄ = 2H+ + SO₄^2– (сильная кислота)
H2CO3  ⇋ H⁺ + HCO₃^– (слабая кислота)

Таблица: Примеры кислот и оснований

Вещества	Сильные	Слабые
Основания	NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2	NH3
Кислоты	HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3	H3PO4, H2CO3, H2S

Соли при растворении в воде диссоциируют на катионы металла и анионы кислоты. Растворы многих солей имеют кислотную или щелочную среду за счет обратимого гидролиза по катиону или по аниону (см. ГИДРАТАЦИЯ, ГИДРАТЫ, ГИДРОЛИЗ).

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

СОЛЬ		ГИДРОЛИЗ	СРЕДА РАСТВОРА	рН
Катион	Анион
сильного основания	сильной кислоты	—	нейтральная	7
сильного основания	слабой кислоты	по аниону	щелочная	> 7
слабого или малорастворимого основания	сильной кислоты	По катиону	кислотная	< 7
слабого или малорастворимого основания	слабой кислоты	По катиону и аниону	Нейтральная кислотная или щелочная	7 > 7 < 7

Несмотря на свое название, многие кислые соли (например, гидрокарбонат натрия) создают в водном растворе щелочную среду:
NaHCO₃ = Na⁺ + HCO₃^–
HCO₃^– + H₂­O ⇋ H₂CO₃ + OH^–
Вода используется во многих технологических процессах главным образом как охлаждающая жидкость, транспортирующая среда для сыпучих материалов (например, золы), важнейший растворитель, реагент. Тяжелую воду применяют в качестве эффективного замедлителя нейтронов. Обычная вода не токсична, однако тяжелая вода опасна для млекопитающих.

Вода является жизненно важным веществом. Она является обязательным компонентом всех живых существ. Организм взрослого человека массой 65 кг содержит до 40 кг воды. Вода является растворителем, составной частью клеток, участником биохимических реакций. Она играет важную роль в терморегуляции. У взрослого человека суточная потребность в воде составляет примерно 2,4 кг. Сюда включается вода, поступающая в организм с твердой и жидкой пищей, в виде напитков, а также вода, образующаяся в результате дыхательных процессов (около 300 г).
Человек чрезвычайно остро ощущает изменения содержания воды в организме и может прожить без воды лишь несколько суток. Потеря 10–20% воды опасна для жизни. В то же время избыток воды приводит к перегрузке сердечно-сосудистой системы, потере солей.

Очень важен минеральный состав питьевой воды. Человек употребляет для питья воду, содержащую от 0,02 до 2 г минеральных веществ на 1 л. Большое значение имеют вещества, находящиеся в малых концентрациях, но играющие важную роль в физиологических процессах организма. Например, длительное употребление питьевой воды, содержащей фтора менее 0,6 мг/л, ведет к кариесу зубов, а потребление воды с концентрацией фтора более 1 мг/л вызывает флюороз.

Если в питьевую воду попадают возбудители инфекционных заболеваний, она может явиться фактором их распространения. Многие возбудители кишечных инфекций сохраняют свою жизнеспособность в воде в течение нескольких месяцев.

При определении качества питьевой воды немаловажное значение имеют свойства, воспринимаемые органами чувств (органолептические свойства): температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость. Питьевая вода должна быть безопасной в эпидемиологическом отношении, безвредной по химическому составу, благоприятной по органолептическим свойствам. Чтобы использовать для питья природную воду, ее обычно очищают. С этой целью применяют как физические (фильтрование, отстаивание), так и химические (хлорирование, озонирование) методы.

В 1 мл питьевой воды должно быть не более 100 микроорганизмов (число бактерий группы кишечных палочек – не более 3). Не менее жесткие ограничения накладываются на содержание химических веществ.

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ (мг/л)

Алюминий  0,5	Полифосфаты 3,5
Бериллий  0,002	Свинец  0,03
Железо  0,3	Селен   0,001
Марганец  0,1	Стронций  7,0
Медь   1,0	Сульфаты  500,0
Молибден  0,25	Фтор   0,7–1,5 (для различных климатических районов)
Мышьяк  0,05	Хлориды  350,0
Нитраты  45,0	Цинк   5,0
Полиакриламид 2,0

Общая жесткость питьевой воды должна быть не выше 7,0 ммоль/л, а сухой остаток – 1000 мг/л. Значения рН не должны выходить за пределы 6,0–9,0.

Ресурсы питьевой воды не безграничны. Проблема обеспечения питьевой водой растущего народонаселения является одной из наиболее острых экологических проблем современности. На возобновляемые водные ресурсы – речной сток воды – оказывает влияние не только растущее загрязнение окружающей среды, но и глобальное потепление климата Земли. Хотя в ряде районов России увеличение количества атмосферных осадков и повышение температуры воздуха в холодное время года благоприятно отражаются на стоке воды рек, на северо-западе и юге нашей страны наметилась тенденция к уменьшению количества ежегодно возобновляющихся водных ресурсов.

Для предотвращения водного кризиса, помимо усиления административных мер по охране природных ресурсов, необходимо экологическое образование население. Это должно помочь правильному восприятию взаимосвязей между всеми сферами Земли, включая ее водную оболочку.

Елена Савинкина