Вода (оксид водню) - прозора рідина, яка не має кольору (у малому обсязі), запаху та смаку. Хімічна формула: Н2О. У твердому стані називається льодом або снігом, а в газоподібному - водяною парою. Близько 71% поверхні Землі покрито водою (океани, моря, озера, річки, лід на полюсах).

Є хорошим сильнополярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини (солі, гази). Вода має ключове значення у створенні та підтримці життя на Землі, у хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату та погоди.

Майже 70% поверхні нашої планети зайнято океанами та морями. Твердою водою – снігом та льодом – покрито 20% суші. Із загальної кількості води Землі, рівного 1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів, 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів посідає частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів посідає частку прісних вод. Усього кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром понад 2,5 кілометри. На кожного жителя Землі приблизно припадає 0,33 кубічних кілометрів морської води та 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але труднощі у цьому, що переважна частина прісної води Землі перебуває у стані, що робить її важкодоступною людини. Майже 70% прісних вод укладено в льодовикових покривах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% - у водоносних шарах під землею, а в руслах усіх річок утримуються одночасно лише 0,006% прісних вод. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи та їх супутників.

Склад води (за масою): 11,19% водню та 88,81% кисню. Чиста вода прозора, не має запаху та смаку. Найбільшу щільність має при 0° С (1 г/см3). Щільність льоду менша за щільність рідкої води, тому лід спливає на поверхню. Вода замерзає при 0 ° С і кипить при 100 ° С при тиску 101325 Па. Вона погано проводить теплоту та дуже погано проводить електрику. Вода – добрий розчинник. Молекула води має кутову форму атоми водню стосовно кисню утворюють кут, що дорівнює 104,5°. Тому молекула води – диполь: та частина молекули, де знаходиться водень, заряджена позитивно, а частина, де знаходиться кисень, – негативно. Завдяки полярності молекул води електроліти у ній дисоціюють на іони.

У рідкій воді поряд із звичайними молекулами Н20 містяться асоційовані молекули, тобто з'єднані в складніші агрегати (Н2О)x завдяки утворенню водневих зв'язків. Наявністю водневих зв'язків між молекулами води пояснюються аномалії її фізичних властивостей: максимальна щільність при 4 ° С, висока температура кипіння (у ряді Н20-Н2S - Н2Sе) аномально висока теплоємність. З підвищенням температури водневі зв'язки розриваються і повний розрив настає при переході води в пару.

Вода - дуже реакційна речовина. За звичайних умов вона взаємодіє з багатьма основними та кислотними оксидами, а також із лужними та лужноземельними металами. Вода утворює численні сполуки – кристалогідрати.

Очевидно, сполуки, що зв'язують воду, можуть бути осушувачами. З інших осушуючих речовин можна вказати Р205, СаО, ВаО, металевий Ма (вони також хімічно взаємодіють із водою), а також силікагель. До важливих хімічних властивостей води відноситься її здатність вступати в реакції гідролітичного розкладання.

Фізичні властивості води.

Вода має низку незвичайних особливостей:

1. При таненні льоду його густина збільшується (з 0,9 до 1 г/см³). Майже у решти речовин при плавленні щільність зменшується.

2. При нагріванні від 0 до 4 °C (точніше, 3,98 °C) вода стискається. Відповідно, при охолодженні – щільність падає. Завдяки цьому можуть жити риби в замерзаючих водоймах: коли температура падає нижче 4 ° C, холодніша вода як менш щільна залишається на поверхні і замерзає, а під льодом зберігається позитивна температура.

3. Висока температура та питома теплота плавлення (0 °C та 333,55 кДж/кг), температура кипіння (100 °C) та питома теплота пароутворення (2250 КДж/кг), порівняно із сполуками водню зі схожою молекулярною вагою.

4. Висока теплоємність рідкої води.

5. Висока в'язкість.

6. Високий поверхневий натяг.

7. Негативний електричний потенціал поверхні води.

Усі ці особливості пов'язані з наявністю водневих зв'язків. Через велику різницю електронегативностей атомів водню та кисню електронні хмари сильно зміщені у бік кисню. Через це, а також те, що іон водню (протон) не має внутрішніх електронних шарів і має малими розмірами, він може проникати в електронну оболонку негативно поляризованого атома сусідньої молекули. Завдяки цьому кожен атом кисню притягується до атомів водню інших молекул і навпаки. Певну роль відіграє протонна обмінна взаємодія між молекулами та всередині молекул води. Кожна молекула води може брати участь максимум у чотирьох водневих зв'язках: 2 атоми водню – кожен в одній, а атом кисню – у двох; у такому стані молекули знаходяться у кристалі льоду. При таненні льоду частина зв'язків рветься, що дозволяє укласти молекули води щільніше; при нагріванні води зв'язку продовжують рватися, і щільність її зростає, але при температурі вище 4 ° С цей ефект стає слабкішим, ніж теплове розширення. При випаровуванні рвуться всі зв'язки, що залишилися. Розрив зв'язків вимагає багато енергії, звідси висока температура та питома теплота плавлення та кипіння та висока теплоємність. В'язкість води обумовлена ​​тим, що водневі зв'язки заважають молекулам води рухатися з різними швидкостями.

З подібних причин вода є добрим розчинником полярних речовин. Кожна молекула розчиняється оточується молекулами води, причому позитивно заряджені ділянки молекули розчиняється притягують атоми кисню, а негативно заряджені - атоми водню. Оскільки молекула води мала за розмірами, багато молекул води можуть оточити кожну молекулу речовини, що розчиняється.

Ця властивість води використовується живими істотами. У живій клітині та міжклітинному просторі вступають у взаємодію розчини різних речовин у воді. Вода необхідна життя всіх без винятку одноклітинних і багатоклітинних живих істот Землі.

Чиста вода, що не містить домішок, - хороший ізолятор. За нормальних умов вода слабо дисоційована і концентрація протонів (точніше, іонів гідроксонію H3O+) та гідроксильних іонів HO становить 0,1 мкмоль/л. Але оскільки вода - хороший розчинник, у ній практично завжди розчинені ті чи інші солі, тобто у воді присутні позитивні та негативні іони. Завдяки цьому вода проводить електрику. За електропровідністю води можна визначити її чистоту.

Вода має показник заломлення n=1,33 в оптичному діапазоні. Однак вона сильно поглинає інфрачервоне випромінювання, і тому водяна пара є основним природним парниковим газом, що відповідає більш ніж 60% парникового ефекту. Завдяки великому дипольному моменту молекул вода також поглинає мікрохвильове випромінювання, на чому заснований принцип дії мікрохвильової печі.

Агрегатні стани.

1. За станом розрізняють:

2. Тверде – лід

3. Рідке – вода

4. Газоподібне - водяна пара

Рис.1 «Типи сніжинок»

При атмосферному тиску вода замерзає (перетворюється на лід) при температурі 0 °C і кипить (перетворюється на водяну пару) при температурі 100 °C. При зниженні тиску температура плавлення води повільно зростає, а температура кипіння падає. При тиску 611,73 Па (близько 0,006 атм) температура кипіння і плавлення збігається і стає рівною 0,01 °C. Такий тиск і температура називаються потрійною точкою води. При нижчому тиску вода не може перебувати в рідкому стані, і лід перетворюється безпосередньо на пару. Температура сублімації льоду падає зі зниженням тиску.

При зростанні тиску температура кипіння води зростає, густина водяної пари в точці кипіння теж зростає, а рідкої води - падає. При температурі 374 °C (647 K) та тиску 22,064 МПа (218 атм) вода проходить критичну точку. У цій точці щільність та інші властивості рідкої та газоподібної води збігаються. При вищому тиску немає різниці між рідкою водою і водяною парою, отже, немає і кипіння чи випаровування.

Також можливі метастабільні стану - пересичена пара, перегріта рідина, переохолоджена рідина. Ці стани можуть існувати тривалий час, проте вони є нестійкими і при зіткненні з більш стійкою фазою відбувається перехід. Наприклад, неважко отримати переохолоджену рідину, охолодивши чисту воду в чистій посудині нижче 0 °C, проте при появі центру кристалізації рідка вода швидко перетворюється на лід.

Ізотопна модифікація води.

І кисень, і водень мають природні та штучні ізотопи. Залежно від типу ізотопів, що входять до молекули, виділяють такі види води:

1. Легка вода (просто вода).

2. Тяжка вода (дейтерієва).

3. Надважка вода (тритієва).

Хімічні властивості води.

Вода є найпоширенішим розчинником Землі, багато в чому визначальним характер земної хімії, як науки. Більшість хімії, при її зародженні як науки, починалася саме як хімія водних розчинів речовин. Її іноді розглядають, як амфоліт - і кислоту і основу одночасно (катіон H + аніон OH-). За відсутності сторонніх речовин у воді однакова концентрація гідроксид-іонів та іонів водню (або іонів гідроксонію), pKa ≈ ок. 16.

Вода - це світла прозора рідина, безбарвна в малих обсягах і набуває блакитно-зеленого забарвлення своєї товщі. Лід теж прозорий, тому що коефіцієнт поглинання ним світла у видимій частині спектра практично дорівнює нулю, проте це не відноситься до ультрафіолетової та інфрачервоної областей. На скелях великих брил глетчерного і річкового льоду він, як і вода, має блакитні і зелені відтінки.

Властивості води наклали відбиток на систему фізичних констант та одиниць виміру: температура замерзання води – плавлення льоду прийнята

за 00С, а температура кипіння води за 1000С (те й інше при атмосферному тиску близько 1013 мбар або гПа = 759,8 мм рт. ст.). Одиниця об'єму

у метричній системі обрана з умови, що один кубічний метр води за температури 3,98 0 С має масу 1000 кг.

Кожна молекула води має два атоми водню і дві не поділені електронні пари і, тим самим, може утворити чотири водневі зв'язки. Останні здійснюються за участю атома водню, розташованого між молекулами, або між атомами всередині молекули:

Сприйматимемо воду, як асоціацію молекул, об'єднаних водневими зв'язками. І якщо в рідкій воді містяться окремі асоціати її молекул, то аналогічне розташування молекул характерне і для льоду,

Проте впорядкованість поширюється вже всю систему загалом, що,

зрештою, призводить до утворення характерної тетраедричної структури льоду. Іншими словами, кристали льоду повністю побудовані тільки на одних водневих зв'язках. Структура льоду образно названа "дуже ажурною", бо в ній молекули упаковані менш щільно, ніж у рідкій воді.

У порівнянні з іншими речовинами вода характеризується найбільшою питомою теплоємністю, яка при температурі 15°С становить

4190 Дж/(кг*К).

Теплопровідність води дуже незначна, зате вода має дуже високу приховану теплоту плавлення і випаровування. Для того, щоб перетворити 1 кг льоду у воду (прихована теплота плавлення), необхідно витратити 330 000 Дж/кг, а при випаровуванні 1 кг води (прихована теплота випаровування) витрачається 2260 Дж. Ці особливості води мають важливе значення для теплового балансу Землі.

При замерзанні вода розширюється на 9% щодо

до початкового обсягу.

Зі всіх рідин, крім ртуті, вода має найбільше поверхневе натяг.

Ще одна чудова властивість води – здатність розчиняти багато речовин. Особливо добре розчиняються у воді ті хімічні сполуки, які можуть утворити з нею водневі зв'язки. Ми у своїй повсякденній діяльності звикли вважати добрими розчинниками такі речовини, як спирт, бензин, ефір та багато інших, які дійсно добре розчиняють жири та взагалі багато органіків, але в них не розчиняються, наприклад, солі. Проте останні добре розчиняються у воді, т.к. вона має вкрай високу діелектричну проникність, і її молекули мають тенденцію з'єднуватися з іонами, перетворюючи їх на гідратовані іони, що призводить до їх стабілізації в розчині. Хороша розчинність різних солей у воді є дуже важливою для багатьох природних процесів.

Кінець роботи -

Ця тема належить розділу:

Загальна гідрологія

Університет.. виноградова та пряхіна г в паршина т в загальна гідрологія.

Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:

Що робитимемо з отриманим матеріалом:

Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:

Твітнути

Всі теми цього розділу:

Наука гідрологія та її зв'язок з іншими науками
Води планети утворюють гідросферу - переривчасту водну оболонку, розташовану на поверхні і в товщі земної кори, що включає океани, моря, води поверхні суші

Методи досліджень у гідрології
Основними методами досліджень сучасної гідрології є: 1) польовий, 2) експериментальний та 3) теоретичний. Польові дослідження включають

Води на землі. Водні ресурси
Вода перебуває на Землі у різному стані залежно від місць свого зосередження. Основна її маса міститься в трьох наступних макроструктурних елементах планети:

Водяні об'єкти. Кругообіг води в природі. Внутрішньоматериковий вологообіг
У гідрології виділяють три групи водних об'єктів: водоймища, водотоки та спеціальні водні об'єкти. Водойми - це водні об'єкти в пониженнях земної поверхні

Внутрішньоматериковий вологообіг
Опади, що випадають на будь-яку ділянку землі, складаються із «зовнішніх» та «внутрішніх» – утворених у результаті випаровування з конкретної ділянки. «Внутрішні» опади - це випаровування.

Водозбір річки. Морфометричні характеристики водозбору
Водозбір - це частина земної поверхні, а також товщі грунтів, з яких вода стікає в річку, річкову систему або озеро, обмежених поверхневим вододілом і під

Водний баланс річки басейну. Елементи водного балансу
Річки живляться за рахунок рідких опадів (дощове харчування), води, утвореної внаслідок танення снігу на поверхні водозбору (снігове харчування), танення високогірних льодовиків

Опади. Перехоплення опадів рослинністю
Опади є однією з найважливіших складових гідрологічного циклу. Вони утворюються шляхом конденсації водяної пари в атмосфері. Залежно від метеорологічних умов формується

Випаровування
В результаті процесу випаровування частина атмосферних опадів, що надійшли на поверхню землі, залишає межі водозбору у вигляді водяної пари. Випаровування відбувається з водної поверхні

Річковий стік. Чинники формування стоку на водозборі
Стоком у гідрології називають рух води поверхнею землі, і навіть у товщі грунтів і гірських порід у процесі її круговороту у природі. Формування стоку на водозборі – складний багатофак.

Основні характеристики стоку води. Фази водяного режиму. Гідрограф стоку
Витрата води – кількість води, що протікає через живий перетин русла за одиницю часу.

Рівень води. Рівний режим
Рівень води – висота поверхні води над умовною площиною порівняння, яка називається «нулем графіка», H, [см], дивись малюнок 5. Рівень води вимірюється на пунктах

Короткострокові, річні та багаторічні коливання рівнів води
До короткострокових коливань рівня води відносяться: згінно-нагінні (в гирлових областях), паводки (зливові), добові коливання (при добовому регулюванні ГЕС – хвилі попусків та в

Зв'язок поверхневих та підземних вод
В результаті процесу фільтрації вода з поверхні проникає в товщу грунтів і формує підземний стік. У підземних горизонтах вода є у трьох агрегатних станах: у вигляді водяног

Річка та річкова система
Сукупність всіх водних об'єктів у межах будь-якої території називається гідрографічною мережею цієї території. У межах гідрографічної мережі річкового басейну виділяють

Швидкість течії води в руслах річок
Рух води в руслах річок здійснюється під впливом сили тяжіння. Швидкість течії залежить від ухилу, кількості води в руслі і шорсткості підстилаючої поверхні

Тепловий баланс басейну річки. Термічний та льодовий режим річок
Тепловий баланс басейну річки. , (18) де

Режим стоку наносів. Гідрохімічний режим річок
Тверді частинки, що утворюють річкові наноси, надходять у русла річок внаслідок процесів ерозії поверхні водозбору та річкового русла. Інтенсивність процесу ерозії поверхні водозбору

Гідрохімічний склад річкових вод
Річкові води мають, як правило, порівняно невисоку мінералізацію та відносяться до прісних вод. Формування хімічного складу річкових вод визначається як природними, кліматично

Морські гирлові області
Гирлява область річки - це особливий фізико-географічний об'єкт, розташований при впаданні великої річки в море, в межах якого відбуваються специфічні гирлові процеси. Вони зумовлені взаємністю

Фізичні процеси
A. Динаміка вод. Динамічна взаємодія вод річки та приймальної водойми, включаючи формування сполучення річки та водойми у вигляді гідравлічного підпору або спаду; розпластуваний

Б. Льодо-термічні процеси на гирловій ділянці річки, у водоймах дельти та на гирловому узмор'ї
B. Динаміка наносів на гирловій ділянці річки та гирловому узмор'ї. Г. Ерозійно-акумулятивні (морфологічні процеси, включаючи формування продо

Основні морфометричні характеристики озера
Довжина (L, м) – найкоротша відстань між двома найбільш віддаленими один від одного точками берегової лінії озера, що вимірюється на його поверхні. Залежно від форми озера

Водний баланс озера. Режим рівня води в озерах
Рівняння водного балансу озера у загальному вигляді: , (25) де

Рівний режим озер
Багаторічні коливання води у озері залежить від кліматичних чинників. Сезонні коливання визначаються в основному припливом води як русловим, так і розподіленим (особливо в період танення снігового)

Тепловий баланс озер та термічний режим
Процеси теплообміну води з атмосферою найбільш інтенсивно відбуваються у верхніх шарах озера. Перенесення тепла вглиб здійснюється як за безпосереднього проникнення сонячної енергії у вод

Болота. Типи боліт та їх режим
Болото – природна освіта, що є перезволоженою ділянкою земної поверхні з шаром торфу та специфічними формами рослинності, що пристосувалися до умов

Льодовики. Визначення. Освіта, типи, будова. Рух льодовиків. Живлення льодовиків. Баланс маси льоду. Вплив на стік рік
Маса природного фірну та льоду, сформована в результаті накопичення та перетворення твердих атмосферних опадів, розташована головним чином на суші, існуюча тривалий час і володію

Типи льодовиків
Виділяють покривні, гірничо-покривні та гірські льодовики. Серед покривних льодовиків виділяють льодовикові щити та куполи, вивідні льодовики та шельфові льодовики. Вони поширені на підлогу

Будова льодовиків
Наземний льодовик можна розділити на дві частини, верхню область живлення (акумуляції) і нижню область абляції. Ліня розділяє ці зони називається гра

Небезпечні гідрологічні явища
Проблема. Стихійні лиха існують лише через те, що людина часто живе і працює в місцях, які є ареною розвитку небезпечних гідрологічних явищ, інколи

Проривні паводки
Великі ухили та перепади висот, особливо при слабкій стійкості схилів, активності гляціальних явищ та сейсмічних впливах, іноді призводять до перегородження річок природними греблями,

Хвильові катастрофи
Якщо ви, послизнувшись, впадете у свою ванну, то виплеснете половину води на підлогу. А що трапиться, якщо у водойму обрушиться обвал, зсув, сіль? Наслідки можуть бути різними, але всі вони

Селеві потоки
Проблема. Селеві потоки – одне з найнебезпечніших і найпоширеніших гідрологічних явищ у гірських країнах і взагалі у світі великих ухилів. Проблема селів постійно залишається спроб

Селеві осередки
Селеве вогнище - морфологічне утворення, здатне концентрувати стік, що вміщає ПСМ (потенційний селевий масив) і має достатній ухил для розвитку зсувного або транспортно-зсувне

Селеві водозбори та водозбори селевих вогнищ
Селевий водозбір - коротке найменування басейну, що містить стокоутворюючі поверхні і здатні сформувати наносоводний селевий потік. Зазвичай це водозбори поверхневого стоку.

Географія селів
Численні скельні селеві вогнища на південному схилі Рушанського хребта, що легко оглядаються з Памірського тракту, внаслідок слабких зливових можливостей району десятки і сотні років чекають свого часу.

Зсуви, снігові лавини, сніговодні потоки
Гірський зсув - масив рихлообломочной породи, сильно насичений водою, що зміщується вниз по схилу. Утворюється, коли сила, що зрушується, перевищить утримуючу або при сейс.

Селеві потоки на льодовиках
Геналдонські катострофи. При катастрофічних зрушеннях і обвалах льодовиків іноді спостерігається відрив частини льодовикової маси, що супроводжується дробленням льоду, викидом внутрішньольодовиків.

Вода - прозора рідина, яка не має кольору (у малому обсязі) та запаху. Вода має ключове значення у створенні та підтримці життя на Землі, у хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату та погоди. У твердому стані називається льодом або снігом, а в газоподібному - водяною парою. Близько 71% поверхні Землі вкрито водою (океани, моря, озера, річки, лід на полюсах).

Властивості води – це сукупність фізичних, хімічних, біохімічних, органолептичних, фізико-хімічних та інших властивостей води.
Вода - оксид водню - одна з найпоширеніших і найважливіших речовин. Поверхня Землі, зайнята водою, в 2,5 рази більша за поверхню суші. Чистої води в природі немає, вона завжди містить домішки. Отримують чисту воду шляхом перегонки. Перегнана вода називається дистильованою. Склад води (за масою): 11,19% водню та 88,81% кисню.

Чиста вода прозора, не має запаху та смаку. Найбільшу щільність має при 0° С (1 г/см 3). Щільність льоду менша за щільність рідкої води, тому лід спливає на поверхню. Вода замерзає при 0 ° С і кипить при 100 ° С при тиску 101325 Па. Вона погано проводить теплоту та дуже погано проводить електрику. Вода – добрий розчинник. Молекула води має кутову форму атоми водню стосовно кисню утворюють кут, що дорівнює 104,5°. Тому молекула води – диполь: та частина молекули, де знаходиться водень, заряджена позитивно, а частина, де знаходиться кисень, – негативно. Завдяки полярності молекул води електроліти у ній дисоціюють на іони.

У рідкій воді поряд із звичайними молекулами Н20 містяться асоційовані молекули, тобто з'єднані в складніші агрегати (Н2О)x завдяки утворенню водневих зв'язків. Наявністю водневих зв'язків між молекулами води пояснюються аномалії її фізичних властивостей: максимальна щільність при 4 ° С, висока температура кипіння (у ряді Н20-Н2S - Н2Sе) аномально висока теплоємність. З підвищенням температури водневі зв'язки розриваються і повний розрив настає при переході води в пару.

Вода - дуже реакційна речовина. За звичайних умов вона взаємодіє з багатьма основними та кислотними оксидами, а також із лужними та лужноземельними металами. Вода утворює численні сполуки – кристалогідрати.
Очевидно, сполуки, що зв'язують воду, можуть бути осушувачами. З інших осушуючих речовин можна вказати Р205, СаО, ВаО, металевий Ма (вони також хімічно взаємодіють із водою), а також силікагель. До важливих хімічних властивостей води відноситься її здатність вступати в реакції гідролітичного розкладання.

Хімічні властивості води зумовлені її складом. Вода на 88,81% складається із кисню, і лише на 11,19% – із водню. Як ми згадували вище, вода замерзає при нулі градусів Цельсія, а ось закипає – за сто. Дистильована вода має дуже низьку концентрацію позитивно заряджених іонів гідроксонію АЛЕ та Н3О+ (всього 0,1 мкмоль/л), тому її можна назвати відмінним ізолятором. Проте властивості води у природі були б реалізовані правильно, якби вона була хорошим розчинником. Молекула води дуже мала за розміром. Коли у воду потрапляє інша речовина, її позитивні іони притягуються атомами кисню, що становлять молекулу води, а негативні – атомами водню. Вода ніби оточує з усіх боків розчинені у ній хімічні елементи. Тому у воді майже завжди містяться різні речовини, зокрема солі металів, що забезпечують проведення електричного струму.

Фізичні властивості води «подарували» нам такі явища, як парниковий ефект та мікрохвильова піч. Близько 60% парникового ефекту створює водяна пара, яка добре поглинає інфрачервоні промені. У цьому показник оптичного заломлення води n=1,33. Крім того, вода поглинає і мікрохвилі завдяки високому дипольному моменту її молекул. Ці властивості води в природі і наштовхнули вчених на думку про винахід мікрохвильової печі.

Незмірно велика роль води в природі та житті людини. Можна сказати, що все живе складається з води та органічних речовин. Вона – найактивніший учасник формування фізичного та хімічного середовища, клімату та погоди. При цьому вона впливає і на економіку, промисловість, сільське господарство, транспорт та енергетику.

Без їжі ми можемо прожити кілька тижнів, а без води – лише 2-3 дні. Для забезпечення нормального існування людина повинна вводити в організм води приблизно вдвічі більше за вагою, ніж поживних речовин. Втрата організмом людини понад 10% води може призвести до загибелі. У середньому в організмі рослин та тварин міститься понад 50% води, у тілі медузи її до 96%, у водоростях 95-99%, у суперечках та насінні від 7 до 15%. У ґрунті знаходиться не менше 20% води, в організмі людини вода становить близько 65%. Різні частини людського організму містять неоднакову кількість води: склоподібне тіло ока складається з води на 99%, у крові її міститься 83, у жировій тканині 29, у скелеті 22 і навіть у зубній емалі 0,2%. Протягом усього свого життя людина втрачає воду з організму, та її біоенергетичний потенціал зменшується. У шеститижневому людському ембріоні вміст води становить до 97%, у новонародженого - 80%, у дорослого - 60-70%, а в організмі людини похилого віку - лише 50-60%.

Вода абсолютна необхідна всім ключових систем життєзабезпечення людини. Вода і речовини, що містяться в ній, стають середовищем харчування і постачають живим організмам необхідні для життя мікроелементи. Вона міститься в крові (79%) і сприяє перенесенню по кровоносній системі в розчиненому стані тисяч необхідних речовин та елементів (геохімічний склад води близький до складу крові тварин і людини).
У лімфі, яка здійснює обмін речовин між кров'ю та тканинами живого організму, вода становить 98%.
Вода сильніша за інші рідини виявляє властивості універсального розчинника. Через певний час вона може розчинити майже будь-яку тверду речовину.
Така всеосяжна роль води зумовлена ​​її унікальними властивостями.

Останнім часом зусилля дослідників зосереджені на форсованому вивченні процесів, які протікають межі розділу фаз. Виявилося, що вода в граничних шарах має багато цікавих властивостей, які не виявляються в об'ємній фазі. Ця інформація вкрай необхідна вирішення низки важливих практичних завдань. Прикладом може бути створення принципово нової елементної бази мікроелектроніки, де подальша. мініатюризація схем буде заснована на принципі самоорганізації макромолекул на водній поверхні. Розвинена поверхня також й у біологічних систем, що з важливістю поверхневих явищ їхнього функціонування. Практично завжди істотно впливає на характер процесів, що відбуваються в приповерхневій ділянці, надає присутність води. У свою чергу під впливом поверхні кардинально змінюються властивості самої води, і воду біля кордону необхідно розглядати як новий фізичний об'єкт дослідження. Цілком ймовірно, що вивчення молекулярно-статистичних властивостей води поблизу поверхні, яка, по суті, тільки починається, дасть можливість ефективно керувати багатьма фізичними та хімічними процесами.

Останнім часом зріс інтерес до досліджень властивостей води на мікроскопічному рівні. Так, для розуміння багатьох питань фізики поверхневих явищ необхідно знати властивості води на межі поділу фаз. Відсутність суворих уявлень про структуру води, про організацію води на молекулярному рівні призводить до того, що при вивченні властивостей водних розчинів як в об'ємній фазі, так і в капілярних системах вода часто розглядається як безструктурне середовище. Однак відомо, що властивості води у граничних шарах можуть помітно відрізнятися від об'ємних. Тому, розглядаючи воду як безструктурну рідину, ми втрачаємо унікальну інформацію про властивості граничних шарів, які, як виявляється, багато в чому визначають природу процесів, що протікають тонкими порами. Наприклад, іонна селективність ацетатцелюлозних мембран пояснюється особливою молекулярною організацією води в порах, яка, зокрема, знайшла своє відображення у концепції «нерозчинного об'єму». Подальший розвиток теорії, що враховує специфіку міжмолекулярних взаємодій, що лежать в основі селективного мембранного транспорту, сприятиме більш повному розумінню мембранного опріснення розчинів. Це дозволить дати обґрунтовані рекомендації для покращення ефективності технологічних процесів опріснення води. Звідси випливають важливість та необхідність досліджень властивостей рідини у прикордонних шарах, зокрема поблизу поверхні твердого тіла.



Вода оточує нас щодня і всюди – навіть тих, хто все своє життя провів у пустелі Сахара. Властивості води часто залишаються для нас непомітними. І це при тому, що будова та властивості води мають колосальне значення для всього живого на нашій планеті. Ми звикли сприймати воду як щось зрозуміле, що можна отримати за першим бажанням простим рухом ручки водопровідного крана. Тоді як унікальні властивості води є відповіддю на безліч питань про наш світ, хоч і одночасно ставлять перед дослідниками чимало питань.

Основні властивості води

Питання, які основні властивості води, можна розглядати з різних боків. Справа в тому, фізичні та хімічні властивості води однаково важливі і визначають особливе значення та роль даної речовини в нашому світі. Фізико-хімічні властивості води визначено її особливою будовою. Всім відомо, що молекула води і двох атомів водню і атома кисню. Однак вже з цього простого факту починаються аномальні властивості води: оскільки всі інші сполуки водню в нормальних умовах мають газоподібний агрегатний стан, тоді як вода рідка. Крім того, саме вода може перебувати в трьох агрегатних станах (газоподібному, рідкому, твердому) і досить легко переходити з одного до іншого.

Незвичайні властивості звичайної води обумовлені тим, що атоми водню з'єднані з атомом кисню під певним кутом і не змінюють свого положення. Внаслідок цього утворюються міцні міжатомні зв'язки, які швидко фіксуються при зниженні температури. Цим пояснюється, чому різниця між звичайною температурою води та температурою її замерзання значно менша, ніж між «середньою» температурою та температурою кипіння. При замерзанні енергія не витрачається на розрив міжатомних зв'язків, тому молекули швидко утворюють упорядковані структури і перетворюються на кристали льоду. Щоб перейти в газоподібний стан, у молекулах води повинні зруйнуватися ті самі міцні зв'язки – ось чому для кипіння воду потрібно нагрівати довше із витратами великої кількості теплової енергії.

Особливості молекулярної будови води дають у відповідь питання, чому значення води живих організмів і взагалі існування життя настільки велике. Оскільки єдина на даний момент відома форма життя у Всесвіті земна, не може існувати без води. Біологічні властивості води такі, що її молекули мають менший розмір по відношенню до молекул інших речовин. Мабуть, першою відповіддю на питання, які властивості має вода, має бути «здатність розчиняти». Розчинення у воді це ніщо інше, як оточення молекули речовини з усіх боків молекулами води. Вода є середовищем, поза яким не може виникнути, існувати та розвиватися жива клітина. Тому що для життєдіяльності клітини потрібна взаємодія різних речовин, що забезпечують саме інформаційні властивості води, здатної нести молекули інших речовин. Тож роль води у живих організмах надзвичайно проста – жодних живих організмів без води не існувало б.

Фізичні властивості води

Основні фізичні властивості води в першу чергу залежать від таких факторів навколишнього середовища, як тиск і температура. Теплове середовище взагалі надзвичайно важливе для води: з температурою пов'язані перебування та перехід у різні агрегатні стани води. Цікаві властивості води полягають, зокрема, у тому, що абсолютно чиста, тобто не містить домішок та розчинених речовин, вода може перебувати в так званих метастабільних станах. Наприклад, теплові властивості води дозволяють чистій воді не замерзати до температури нижче «мінус 30» градусів за Цельсієм або залишатися в рідкому стані, нагріваючись до 200 градусів за Цельсієм. Однак такі метастабільні стани вкрай нестійкі, до того ж, абсолютно чиста вода в природних умовах практично не зустрічаються. Отже розрахунок теплофізичних властивостей води здійснюється, крім особливих випадків, з стандартних рубежів - 0 градусів як температура замерзання, 100 градусів як температура кипіння.

Зрозуміло, теплофізичні властивості води далеко не єдині характеристики цієї унікальної речовини. Існує таблиця фізичних властивостей води, де містяться докладні відомості про неї. Наприклад, можна дізнатися, що особливі властивості води роблять її добрим ізолятором, тобто вона дуже погано пропускає електричний струм. Але йдеться про абсолютно чисту воду - звичайна ж вода, що має в собі безліч різних розчинених речовин, є хорошим електропровідником. Крім того, у таблиці містяться такі показники, як, наприклад, швидкість звуку, яка у воді при температурі 20 градусів становить 1482,7 метра за секунду (для порівняння - швидкість звуку в повітрі становить 331 метр за секунду).

Хімічні властивості води

Основною хімічною властивістю води є її здатність бути розчинником. Активно вивчаються кислотні властивості води, оскільки вода, хоч би як несподіваним це здавалося, є кислотою. Кислотою в хімічній науці вважається речовина, здатна під час хімічної взаємодії віддавати катіони водню. Вода на таке якраз здатна, тому таке велике значення мають окисні властивості води. Але на те вода і унікальна речовина, що окрім окисних має ще й відновлювальні властивості.

У біохімії окислювально-відновними реакціями називаються такі хімічні взаємодії, в ході яких відбувається приєднання або віддача електронів, що призводить до зміни електричного потенціалу речовин. Кисень є активним окислювачем, тобто речовиною, яка забирає електроди; водень це універсальний відновник, який охоче водні віддає. Ось і виходить, що вода, що складається з кисню та водню, може бути і окислювачем, і відновником - звідси і окислювально-відновлювальні властивості води. Водне середовище може бути окислювальним, що забирає електрони в інших речовин - така позиція характерна для більшості ситуацій з водою, що є на поверхні. Вода може бути окислювально-відновною за умови вмісту в ній певних домішок. Нарешті, може бути і відновлювальним середовищем, що притаманно підземних вод, насичених металами.

Вода - одна з найдивовижніших сполук на Землі - давно вже вражає дослідників незвичайністю багатьох своїх фізичних властивостей:

1) Невичерпність як речовини та природного ресурсу; якщо всі інші ресурси землі знищуються або розсіюються, то вода ніби вислизає від цього, приймаючи різні форми або стани: крім рідкої – тверду та газоподібну. Це єдина речовина та ресурс такого типу. Ця властивість забезпечує всюдисущість води, вона пронизує всю географічну оболонку Землі та робить у ній різноманітну роботу.

2) Притаманне тільки їй розширення при затвердінні (замерзанні) та зменшення обсягу при плавленні (переході в рідкий стан).

3) Максимальна щільність при температурі +4 °С і пов'язані з цим дуже важливі властивості для природних та біологічних процесів, наприклад, виключення глибокого промерзання водойм. Як правило, максимальна щільність фізичних тіл спостерігається за температури затвердіння. Максимальна щільність дистильованої води спостерігається в аномальних умовах - при температурі 3,98-4 ° С (або заокруглено +4 ° С), тобто при температурі вище точки затвердіння (замерзання). При відхиленні температури води від 4 ° С в обидва боки щільність води зменшується.

4) При плавленні (таненні) лід плаває лежить на поверхні води (на відміну інших рідин).

5) Аномальна зміна щільності води тягне за собою таку ж аномальну зміну об'єму води при нагріванні: зі зростанням температури від 0 до 4 °С об'єм води, що нагрівається, зменшується і тільки при подальшому зростанні починає збільшуватися. Якби при зниженні температури і при переході з рідкого стану в тверду щільність і об'єм води змінювалися так само, як це відбувається у більшості речовин, то при наближенні зими поверхневі шари природних вод охолоджувалися б до 0 ° С і опускалися на дно, звільняючи місце теплішим шарам, і так тривало до тих пір, поки вся маса водоймища не придбала б температуру 0 °С. Далі вода починала б замерзати, крижини, що утворюються, занурювалися б на дно, і водоймище промерзало б на всю його глибину. При цьому багато форм життя у воді були б неможливі. Але оскільки найбільшої щільності вода досягає при 4 ° С, то переміщення її шарів, що викликається охолодженням, закінчується при досягненні цієї температури. При подальшому зниженні температури охолоджений шар, що володіє меншою щільністю, залишається на поверхні, замерзає і тим самим захищає шари, що лежать нижче, від подальшого охолодження і замерзання.

6) Перехід води з одного стану до іншого супроводжується витратами (випаровування, танення) або виділенням (конденсація, замерзання) відповідної кількості тепла. На танення 1 г льоду необхідно витратити 677 кал, на випаровування 1 г води – на 80 кал менше. Висока прихована теплота плавлення льоду забезпечує повільне танення снігу та льоду.

7) Здатність щодо легко переходити в газоподібний стан (випаровуватися) не тільки за позитивних, а й за негативних температур. В останньому випадку випаровування відбувається минаючи рідку фазу - з твердої (льоду, снігу) відразу в пароподібну. Таке явище зветься сублімація.

8) Якщо порівняти температуру кипіння та замерзання гідридів, утворених елементами шостої групи таблиці Менделєєва (селена H 2 Se, телура Н 2 Ті) та води (Н 2 О), то за аналогією з ними температура кипіння води повинна бути близько 60 °С, а температура замерзання - нижче 100 ° С. Але і тут виявляються аномальні властивості води - при нормальному тиску в 1 атм. вода кипить при 100 °С, а замерзає при 0 °С.

9) Величезне значення в житті природи має і той факт, що вода має аномально високу теплоємність, в 3000 разів більшу, ніж повітря. Це означає, що з охолодженні 1 м 3 води на 1 0 З стільки ж нагрівається 3000 м 3 повітря. Тому, акумулюючи тепло, Океан пом'якшує вплив на клімат прибережних територій.

10) Вода поглинає тепло при випаровуванні та таненні, виділяючи його при конденсації з пари та замерзанні.

11) Здатність води в дисперсних середовищах, наприклад у дрібнопористих ґрунтах або біологічних структурах, переходити у зв'язаний або розосереджений стан. У цих випадках дуже сильно змінюються властивості води (її рухливість, щільність, температура замерзання, поверхневий натяг та інші параметри), украй важливі для перебігу процесів у природних та біологічних системах.

12) Вода - універсальний розчинник, тому не тільки в природі, але і в лабораторних умовах ідеально чистої води немає вже з тієї причини, що вона здатна до розчинення будь-якої судини, в яку укладено. Є припущення, що поверхневе натяг ідеально чистої води було б таким, що по ній можна було б кататися на ковзанах. Здатність води до розчинення забезпечує перенесення речовин у географічній оболонці, лежить в основі обміну речовин між організмами та середовищем, в основі харчування.

13) З усіх рідин (крім ртуті) у води найвищий поверхневий тиск і поверхневий натяг: = 75·10 -7 Дж/см 2 (гліцерин – 65, аміак – 42, а решта – нижче 30 · 10 -7 Дж/ см 2). Внаслідок цього крапля води прагне набути форми кулі, а при зіткненні з твердими тілами змочує поверхню більшості з них. Саме тому вона може підніматися вгору по капілярах гірських порід та рослин, забезпечуючи ґрунтоутворення та живлення рослин.

14) Вода має високу термічну стійкість. Водяна пара починає розкладатися на водень і кисень тільки при температурі вище 1000 °С.

15) Хімічно чиста вода є дуже поганим провідником електрики. Внаслідок малої стисливості у воді добре поширюються звукові та ультразвукові хвилі.

16) Властивості води сильно змінюються під впливом тиску та температури. Так, при зростанні тиску температура кипіння води підвищується, а температура замерзання, навпаки, знижується. З підвищенням температури зменшуються поверхневий натяг, щільність і в'язкість води та зростають електропровідність та швидкість звуку у воді.

Аномальні властивості води разом узяті, що свідчать про надзвичайно високу її стійкість до впливу зовнішніх факторів, викликані наявністю додаткових сил між молекулами, що отримали назву водневих зв'язків. Суть водневого зв'язку зводиться до того що, що іон водню, що з якимось іоном іншого елемента, здатний електростатично притягувати себе іон тієї самої елемента з іншої молекули. Молекула води має кутову будову: ядра, що входять до її складу, утворюють рівнобедрений трикутник, в основі якого знаходиться два протони, а у вершині – ядро ​​атома кисню (рисунок 2.2).

Малюнок 2.2 – Будова молекули води

З наявних у молекулі 10 електронів (5 пар) одна пара (внутрішні електрони) розташована поблизу ядра кисню, та якщо з інших 4 пар електронів (зовнішніх) по одній парі узагальнено між кожним з протонів і ядром кисню, тоді як 2 пари залишаються невизначеними і спрямовані до протилежних від протонів вершин тетраедра. Таким чином, в молекулі води є 4 полюси зарядів, розташованих у вершинах тетраедра: 2 негативних, створених надлишком електронної щільності в місцях розташування неподілених пар електронів, і 2 позитивних, створених її недоліком у місцях розташування протонів.

Внаслідок цього молекула води виявляється електричним диполем. У цьому позитивний полюс однієї молекули води притягує негативний полюс інший молекули води. В результаті виходять агрегати (або асоціації молекул) із двох, трьох і більше молекул (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Освіта диполями води асоційованих молекул:

1 - моногідроль Н 2 Про; 2 - дигідроль (Н 2 О) 2; 3 – тригідроль (Н 2 О) 3

Отже, у воді одночасно присутні одиночні, подвійні та потрійні молекули. Зміст їх змінюється залежно від температури. У льоду містяться, в основному, тригідролі, об'єм яких більше моногідролей та дигідролей. При підвищенні температури швидкість руху молекул зростає, сили тяжіння між молекулами слабшають, і в рідкому стані вода – це суміш три-, ді- та моногідролей. З подальшим збільшенням температури тригідрольні та дигідрольні молекули розпадаються, при температурі 100 °С вода складається з моногідролей (пар).

Існування неподілених електронних пар визначає можливість утворення двох водневих зв'язків. Ще два зв'язки виникають за рахунок двох водневих атомів. Внаслідок цього кожна молекула води може утворити чотири водневі зв'язки (рисунок 2.4).

Малюнок 2.4 – Водневі зв'язки у молекулах води:

- Позначення водневого зв'язку

Завдяки наявності у воді водневих зв'язків у розташуванні її молекул відзначається високий рівень упорядкованості, що зближує її з твердим тілом, а в структурі виникають численні порожнечі, що роблять її дуже пухкою. До найменш щільних структур належить структура льоду. У ній існують порожнечі, розміри яких дещо перевищують розміри молекули Н2О. При плавленні льоду його структура руйнується. Але й у рідкій воді зберігаються водневі зв'язки між молекулами: виникають асоціати – зародки кристалічних утворень. У цьому сенсі вода знаходиться як би в проміжному положенні між кристалічним і рідким станами і більш подібна до твердого тіла, ніж з ідеальною рідиною. Однак на відміну від льоду кожен асоціат існує дуже короткий час: постійно відбувається руйнування одних та утворення інших агрегатів. У порожнечах таких «крижаних» агрегатів можуть розміщуватись одинокі молекули води, при цьому упаковка молекул води стає більш щільною. Саме тому при плавленні льоду об'єм, який займає вода, зменшується, її щільність зростає. При + 4 °С вода має найщільнішу упаковку.

При нагріванні води частина теплоти витрачається розрив водневих зв'язків. Цим пояснюється висока теплоємність води. Водневі зв'язки між молекулами води повністю руйнуються під час переходу води у пару.

Складність структури води обумовлена ​​як властивостями її молекули, а й тим, що внаслідок існування ізотопів кисню і водню у воді є молекули з різною молекулярною вагою (від 18 до 22). Найбільш поширеною є «звичайна» молекула з молекулярною вагою 18. Зміст молекул з великою молекулярною вагою невеликий. Так, "важка вода" (молекулярна вага 20) становить менше 0,02% усіх запасів води. В атмосфері вона не виявлена, в тонні річкової води її не більше 150 г, морський –160-170 г. Проте, її присутність надає «звичайній» воді більшої щільності, впливає інші її властивості.

Дивовижні властивості води дозволили виникнути та розвинутися життю на Землі. Завдяки їм вода може відігравати незамінну роль у всіх процесах, що відбуваються в географічній оболонці.