Вода́, Н2O — хімічна речовина у вигляді прозорої, безбарвної рідини без запаху і смаку (в нормальних умовах). Є основною складовою гідросфери Землі та рідин усіх відомих живих організмів (в яких вона діє як розчинник). Хімічна формула H2O, вказує на те, що кожна її молекула містить один атом кисню і два атоми водню, з'єднані ковалентними зв'язками, що приєднані до атома кисню під кутом 104,45°. «Вода» — це також назва рідкого стану H2O за стандартних температури і тиску (в межах Землі).
Загальний опис
Одна з найпоширеніших речовин у природі та основна складова живих організмів.
Це найпростіший гідрид оксигену — дигідроген моноксид (H2O). Безбарвна рідина, у великих кількостях — блакитного
кольору (т. пл. 0 °C, т. кип. 100 °C, густина при 0 °C 0,99987 г см−3) без запаху та смаку. Максимальна густина
при 4 °C — 1,0000 г см−3. Вода у твердому стані (лід) має виключно тетраедричне розташування атомів O (залежно від
деталей геометрії їх розташування розрізняють три форми льоду). Водневі зв'язки й залишковий порядок зберігаються і в
розчині. Утворює гідрати з багатьма солями. До катіонних центрів приєднується вільними електронними парами, до
аніонних — через утворення водневих зв'язків. Як нейтральний оксид, слабко дисоціює на [Н3О]+ і [ОН]– (при 25 °C рК становить 13,997). Реагує з лужними й лужноземельними металами з утворенням гідроксидів та водню. З
неметалічними оксидами (наприклад, SO3, P2O5) дає кислоти, з оксидами більшості електропозитивних металів — гідроксиди (наприклад, NaOH). Багато речовин при взаємодії з водою зазнають гідролізу — заміщення електронегативних замісників на гідроксильну групу. Вода здатна приєднуватися до полярних кратних зв'язків (ковалентна гідратація).
У природі існує у трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Молекула води складається з одного атомакисню і двох атомів водню. Атоми водню розташовані в молекулі таким чином, що напрямки до них утворюють кут 104,45° із вершиною в центрі атома кисню. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 дебаї.
При заміні атомів водню (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.
Вода — одна із найголовніших речовин, потрібних для органічного життя. Рослини та тварини містять понад 60 % води за масою. На Землі водою покрито 70,9 % поверхні. Вона здійснює у природі постійний колообіг, випаровуючись з поверхні й повертаючись на неї у вигляді атмосферних опадів. Вода має велике значення для економіки: сільського господарства й промисловості. Прісні води, придатні для пиття, становлять лише 2,5 % від загальної кількості води на Землі. Нестача води може стати однією з найгостріших проблем людства в найближчі десятиліття.
Одним з найважливіших питань, пов'язаних з освоєнням космосу людиною і можливістю виникнення життя на інших планетах, є питання про наявність води за межами Землі в достатній концентрації. Відомо, що деякі комети більше, ніж на 50 % складаються з водяного льоду. Не варто, втім, забувати, що не будь-яке водне середовище придатне для життя — зокрема, акумуляторна батарея містить 25 %-ий розчин сірчаної кислоти у воді (але життя в ньому, очевидно, є малоімовірним, тим більше, його виникнення).
У результаті бомбардування місячного кратера, проведеного 9 жовтня 2009 року НАСА з використанням космічного апарату LCROSS, вперше були отримані достеменні свідчення наявності на супутнику Землі водяного льоду у великих обсягах[1].
Точно з'ясовано, що вода у замерзлому стані є на поверхні Марса.
Вода входить до складу багатьох гірських порід і всіх рослинних і тваринних організмів. На воду припадає близько 60 % маси тварин і до 80 % маси риб. У деяких рослинах вміст води іноді перевищує 90 % їхньої маси.
Більшість запасів води на Землі знаходяться в морях і океанах, прісна вода становить 2,5-3 % від загального об'єму гідросфери[3].
Вчені припускають, що перші поклади води в мантії Землі з'явилися приблизно 2,7 млрд років тому. Вважається, що воду занесли астероїди на ранній стадії утворення планети близько 4 млрд років тому.[4]
У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.
Найбільшу густину вода має при +4 °С. Масу 1 см³ чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0 °С розширюється. Тому лід легший від води (на 8 %) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.
Вода характеризується великою питомою тепломісткістю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках.
Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що її молекули мають значний дипольний момент (1,844 Дебая). Оскільки атоми кисню є більш електронегативними, ніж атоми водню, вони відтягують на себе електронну густину ковалентних зв'язків у молекулах води. Через це на перших (O) виникає частковий негативний заряд (2δ-), а на других (H) — вдвічі менший за значенням позитивний заряд (δ+). Внаслідок електростатичного притягування між атомами водню й висню сусідніх молекул води, між ними формується водневий зв'язок[5]. Завдяки такій взаємодії конденсація води відбувається при порівняно високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють.
У будь-який момент часу в рідкій воді більшість молекул утворюють водневі зв'язки, проте час життя кожного з них дуже короткий (від 1 до 20 пс). Після руйнування одного зв'язку наступний, із тим же або іншим партнером, утворюється приблизно через 0,1 пс. Тимчасові групи молекул води, сполучених між собою водневими зв'язками, називають «кластерами, що мигають». Сила водневих зв'язків досить невелика (енергія розриву 23 кДж/моль), проте вони дуже суттєво впливають на властивості води, через їх велику кількість[5].
Завдяки своїй формі молекули води можуть сполучатись водневими зв'язками із чотирма іншими. Саме таким чином вони організовані у кристалах льоду. Проте в рідкій воді молекули менш впорядковані та перебувають у стані постійного руху, тому середня кількість зв'язків, що утворюються кожною із них, в будь-який момент часу становить 3,6[5].
У воді виявлено наявність когерентних далекодійних диполь-дипольних взаємодій, як в льоду. Це означає, що структура рідкої води має більше схожості з льодом, ніж вважалося раніше. Великий асортимент і просторове поширення когерентних режимів свідчить про існування широкої мережі водневих зв'язків, на відміну від більш ранніх уявлень про структуру води, які розглядали подібну динаміку тільки для невеликих молекулярних кластерів[6]
Вода як розчинник
Схематичне зображення гідратної оболонки навколо іону натрію
Вода — це полярнийрозчинник, у ній добре розчиняються полярні й заряджені сполуки, які ще називають гідрофільними. Речовини, що складаються із неполярних молекул, у воді не розчиняються, їх називають гідрофобними. Гідрофобними, а отже і погано розчинними, зокрема є такі гази як кисень і вуглекислий газ. Тому багато живих організмів, в тому числі й людина, мають спеціальні транспортні білки, такі як гемоглобін та міоглобін, для перенесення кисню по тілу, а вуглекислий газ в крові перебуває у формі бікарбонату (HCO- 3)[7].
Здатність води ефективно розчиняти полярні й заряджені речовини зумовлена високою діелектричною проникністю, її діелектрична стала при температурі 25 °C становить 78,5 (для порівняння діелектрична стала неполярного розчинника бензену при тій же температурі 4,6). Це означає, що вода може ефективно екранувати електростатичні взаємодії між розчиненими іонами. Наприклад, під час розчинення хлориду натрію молекули води утворюють гідратні оболонки навколо іонів Na+ і Cl-, таким чином стабілізують їх, частково нейтралізують їхні заряди, і не дозволяють взаємодіяти одне з одним утворюючи кристали[8].
Існують також амфіфільні речовини, молекули яких мають гідрофобну і гідрофільну частини. Коли такі речовини потрапляють у воду, їхні полярні частини вступають у взаємодію з молекулами води, в той час як гідрофобні навпаки такої взаємодії уникають. Таким чином завдяки так званим гідрофобним взаємодіям амфіфільні речовини формують у воді міцели[9].
Прозорість води залежить від товщини шару, через яку проходить світло, від кольоровості й мутності води, тобто від вмісту в ній різних забарвлених завислих мінеральних і органічних речовин.
Мірою прозорості служить висота стовпа води, за якої можна спостерігати білий диск-прозоромір певних розмірів, що його занурюють у воду, або розрізняти на білому папері стандартний шрифт певного розміру та типу. Результати виражаються в сантиметрах із зазначенням способу вимірювання. За ступенем прозорості води поділяють на: 1) прозорі; 2) слабко прозорі; 3) слабко каламутні; 4) каламутні; 5) сильно каламутні.
Хімічні властивості
Молекули води мають слабку здатність до зворотної іонізації шляхом розпаду на протон H+ і гідроксид-іон OH-:
H2O H+ + OH-;
Попри те, що одним із продуктів дисоціації є протони, вони не існують у воді у вільному стані, а натомість відразу ж приєднуються до молекул H2O з утворенням іонів гідронію H3O+. Внаслідок іонізації чиста вода до певної міри може проводити електричний струм. При чому гідроксид- і гідроній-іони в електричному полі рухаються значно швидше ніж інші іони. Це пояснюється явищем «перестрибування протонів»: жоден індивідуальний іон не переміщується на великі відстані, натомість відбувається перенесення протонів між молекулами води, з'єднаними між собою водневими зв'язками. Таким чином виникає сумарний рух гідроній-іонів до катода, а гідроксид-іонів — до анода. «Перестрибування протонів» також призводить до того, що у водних розчинах дуже швидко проходять кислотно-основні реакції[10].
У стані рівноваги тільки невеличка частина молекул води іонізовані, так при температурі 25 °C на іони розпадається приблизно одна молекула із пів мільярда. Іонний добуток води ({H+}×{OH-}, де {H+} і {OH-} — активності відповідних іонів) є сталою величиною і становить 1×10−14M2, оскільки у чистій воді концентрації (і активності) іонів OH- і H+ рівні, то кожна з них рівна 1×10−7M2. Негативний десятковий логарифм із {H+} називається pH (водневий показник), відповідно для чистої води, яка є абсолютно нейтральною, він становить 7[11].
З найактивнішими металами вона утворює основи з виділенням водню:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2 ↑
З деякими солями вода утворює так звані кристалогідрати, які характеризуються строго визначеною кількістю молекул води, що припадають на одну молекулу солі. Наприклад, з сульфатом міді вода утворює мідний купорос:
CuSO4 + 5Н2О = CuSO4 • 5Н2О
в якому на одну молекулу сульфату міді припадає п'ять молекул води. Воду, що входить до складу кристалів, називають кристалізаційною.
Кристалізаційну воду не слід плутати з гігроскопічною водою, яка поглинається (адсорбується) поверхнею і порами всіх речовин на відкритому повітрі. Деякі речовини відзначаються підвищеною здатністю поглинати вологу повітря. Внаслідок цього вони мокріють (наприклад, NaCl), а то й і розпливаються на повітрі (як CaCl2). Такі речовини називають гігроскопічними. На відміну від кристалізаційної, кількість гігроскопічної води в речовинах, змінна. Вона хімічно не взаємодіє з речовиною-адсорбатом.
Хімічний склад природних вод (атмосферних опадів, поверхневих, підземних, морських) є комплексом розчинених газів, мінеральних солей та органічних сполук, до якого входять майже всі відомі хімічні елементи. Сучасні фізико-хімічні методи дають змогу визначити понад 80 елементів, присутніх у гідросфері Землі. Проте, багато елементів міститься у природних водах у надзвичайно малих кількостях, які неможливо виявити внаслідок недостатньої чутливості методів аналізу.
органічні речовини — різноманітні органічні сполуки, які належать до органічних кислот, складних ефірів, гумусових речовин, азотовмісних сполук (білки, амінокислоти) тощо;
мікроелементи — всі метали, крім тих, що увійшли до головних іонів;
радіоактивні елементи — виділені в окрему групу з мікроелементів, враховуючи специфіку походження, фізичні властивості та вплив на життєдіяльність організмів;
Важливим є інтегральний показник — мінералізація води — сума всіх визначених при аналізі мінеральних речовин у мг/дм³ (г/дм³), які містяться у даній воді. Понад 90 % мінералізації природних вод становлять головні іони.
В океанології замість мінералізації використовують поняття солоність води, вимірюється в проміле — ‰ (тисячна частка).
У природі вода відіграє надзвичайно важливу роль для людства. Важливими є процеси колообіг води в природі — випаровуючись, вода переноситься на величезні відстані й там випадає у вигляді дощу і снігу. Вологість повітря і кількість атмосферних опадів є найважливішими факторами, що регулюють клімат і погоду.
Природні води є також одним з найважливіших геологічних факторів, що змінюють зовнішній вигляд земної поверхні, розмиваючи гори й утворюючи долини (вивітрювання гірських порід). Вона руйнує гірські породи не тільки механічно, а й хімічно, реагуючи з ними з утворенням інших речовин. При цьому, природні води збагачуються, в першу чергу, розчинними мінеральними речовинами, збільшуючи свою мінералізацію.
Сукупність процесів всмоктування, розподілу, споживання та виділення води й солей в організмі людини (і тварин) називається водно-сольовим обміном. Він забезпечує стабільність осмотичної концентрації, іонного складу та кислотно-лужної рівноваги всередині організму[12]
Усі процеси травлення і засвоєння їжі людиною і тваринами відбуваються у водному середовищі. Надмірна втрата води організмом (до 10–20 %) може призвести до загибелі. Щоденна потреба дорослої людини у воді становить 2,5–4 дм³. Вода є одним з шести основних харчових елементів здорового харчування людини поряд з вуглеводами, білками, жирами, вітамінами і мінералами.
Під час проєктування водогосподарських та інших об'єктів повинна враховуватися можлива шкідлива дія вод, а під час експлуатації цих об'єктів — вживатися заходи щодо її запобігання, а саме:
залуження та створення лісонасаджень на прибережних захисних смугах, схилах, балках та ярах;
Джерелами водопостачання є поверхневі (насамперед річкові) та підземні води. Річкові води завжди необхідно очищувати. Підземні води, як більш захищені від антропогенного забруднення, є більш надійними джерелами водопостачання, з яких вода подається населенню часто без попереднього очищення (наприклад, питна вода з бюветів, що набули поширення з 90-х років ХХ ст. у м. Києві).
Вимоги до якості води, яка використовується для різних цілей
Необхідність очищення (обробки) води виникає тоді, коли якість води природного джерела водопостачання не відповідає нормативним вимогам того чи іншого водокористувача (за органолептичними показниками, мінералізацією, вмістом інших хімічних та органічних речовин, за санітарно-гігієнічними показниками). Вимоги до якості води, а відповідно і методи очищення природної води залежать від того, для яких цілей вона використовується[12]
Наприклад, вода для охолодження робочих агрегатів, паросилового господарства має бути вільною від солей які можуть спричинити відклади накипу. В цьому випадку важливою характеристикою є твердість води, за необхідності застосовують методи пом'якшення води.
Вода зі значною кількістю органічних речовин, в яких можуть розвиватися мікроби, цілком непридатна не тільки для пиття, а й для цілої низки інших цілей. Така вода непридатна, наприклад, для харчової промисловості, для цукрового, крохмального і паперового виробництва. Органічні домішки можуть викликати гниття паперу та бродіння крохмалю і цукру.
Особливо високі вимоги висуваються до якості питної води. Фактично, контроль починається з відповідних нормативних вимог до якості води джерел господарсько-питного водопостачання, оскільки від цього залежить, власне, якість «приготовленої» на водопровідній станції питної води.
Очищення води
Воду, відібрану з річки, спочатку на водопровідній станції відстоюють у спеціальних відстійниках, в яких осідає пісок, глина й основна маса інших нерозчинних речовин, а потім її фільтрують крізь шар гравію, коксу і піску, щоб відокремити завислі частинки, які важко осідають. При цьому, разом із завислими частинками відфільтровуються залишки органічних речовин і більша частина бактерій. Для повного знезараження воду хлорують, додаючи до неї невеликі кількості хлору (зазвичай у вигляді хлорного вапна з розрахунком 0,7 г хлору на 1 т води), або озонують. Після чого отримана питна вода подається у водопровідну мережу. Станом на початок другого тисячоліття досліджено використання наносітки для вищезгаданої цілі. Див. посилання.
Питна вода
Питна вода повинна бути цілком прозорою, безбарвною, без запаху і смаку, без органічних залишків і хвороботворних бактерій, з помірною кількістю розчинених солей. Вода, в якій дуже мало або дуже багато розчинених солей, шкідлива.
В Україні мінералізація (сухий залишок) питної води згідно з нормативними вимогами "Державних санітарних норм та правил «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-171-10)[14] не повинна перевищувати 1 г/дм³, але може бути 1,5 г/дм³ — за погодженням з головним санітарним лікарем відповідної адміністративної території України. Водночас, за показником фізіологічної повноцінності мінерального складу води — оптимальною є мінералізація 0,2–0,5 г/дм³.
Треба зазначити, що існує міжнародний стандарт якості питної води, рекомендований Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ), в Європейському Союзі діє Директива Ради 98/83/ЄС «Про якість води, призначеної для споживання людиною» від 3.11.1998 р.[15], але нормативи на питну воду в кожній країні світу відбивають, власне, економічні можливості держави[16].
Для повного очищення від усіх сторонніх речовин воду піддають перегонці або дистиляції. Очищену таким способом воду називають дистильованою. Дистильована вода позбавлена розчинених солей. Дистильовану воду застосовують у хімічних лабораторіях для виготовлення розчинів різних речовин. В аптеках її використовують для виготовлення ліків. Дистильовану воду вживають для кислотних електричних акумуляторів. Найбільші її кількості використовує хімічна промисловість. Останнім часом дистильовану воду застосовують також для парових котлів високого тиску.
Абсолютно чиста вода
У хімії води — ретельно очищена вода з питомим опором 18,3 МОм·см−1 при 25 °С[17].
↑Архівована копія. Архів оригіналу за 3 квітня 2016. Процитовано 31 березня 2016.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
↑Elton, DC & Fernández-Serra, M. The hydrogen- bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nature Commun. 7: 10 193 doi: 10.1038 / ncomms10193 (2016).
