Жизнь человека тесно связана с водой, и от нее зависит его существование. Вода является важнейшим компонентом живой клетки. Кровь человека содержит около 30% воды, мышцы — около 75%, стекловидное тело глаза — около 99 %, кости — около 25%, зубная эмаль — около 0,2 %. Слезы, слюна, желудочный сок также содержат воду.
Вода участвует во всех жизненных процессах, в том числе в транспорте питательных веществ и кислорода, выведении продуктов жизнедеятельности, дыхании и терморегуляции. Испаряющаяся вода помогает охладить тело. Поэтому для обеспечения нормального существования человек должен ежедневно потреблять воды примерно в 8-10 раз больше, чем питательных веществ, то есть 2,5 — 6 литра.
Потеря человеком 12-15% воды приводит к нарушению обмена веществ, а потеря 25% воды – к гибели организма. Человек может прожить без еды неделями, а без воды не более трех дней. Вода также является средой обитания для многих животных и растений.
Строение молекулы воды
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атом водорода имеет один неспаренный электрон, а атом кислорода имеет шесть валентных электронов, два из которых неспаренные.
Неспаренные электроны атомов кислорода и водорода объединяются, образуя две общие электронные пары. Из-за наличия неподеленных пар электронов в атоме кислорода атомы не находятся на прямой линии, что приводит к изогнутой структуре молекулы воды. Валентный угол — угол, между двумя атомами водорода и атомом кислорода (H — O — H) составляет примерно 104,5 градуса.
Молекула воды является диполем.
Водороводные связи
Молекулы воды могут образовывать водородные связи друг с другом. Важно отметить, что этот тип взаимодействия происходит между молекулами, а не внутри одной молекулы.
Для образования водородных связей молекулы вещества должны содержать атомы водорода, которые связаны с небольшими, но электроотрицательными атомами, такими как O — H:
Когда в связи присутствует более электроотрицательный атом, такой как кислород, связь становится полярной с избытком отрицательного заряда на атоме кислорода. Атом водорода в этой связи затем приобретает частично положительный заряд и может взаимодействовать с неподеленными электронными парами атома кислорода в другой молекуле воды. Водородная связь обычно изображается схематически точками.
Водородные связи играют решающую роль в поведении и свойствах молекул воды. Молекулы воды полярны, что означает, что они имеют слегка положительный конец (атомы водорода) и слегка отрицательный конец (атом кислорода). Из-за этой полярности атомы водорода одной молекулы воды могут образовывать слабую электростатическую связь с атомом кислорода другой молекулы воды, что приводит к так называемой водородной связи.
В молекуле воды каждый атом водорода образует водородную связь с атомом кислорода, а каждый атом кислорода образует водородные связи с двумя соседними атомами водорода. Эта сеть водородных связей придает воде ее уникальные свойства, такие как высокое поверхностное натяжение, высокая температура кипения и низкое давление пара.
Важно отметить, что водородные связи — это межмолекулярные взаимодействия, то есть они возникают между молекулами, а не внутри одной молекулы. Водородные связи между молекулами воды относительно слабы, но они ответственны за многие важные свойства воды, включая ее способность растворять многие вещества и ее роль в различных химических реакциях.
Аномальные физические свойства воды, такие как ее высокие температуры кипения и плавления по сравнению с водородными соединениями элементов VIA группы периодической таблицы Д. И. Менделеева, можно объяснить наличием водородных связей. Эти связи играют важную роль в определении свойств воды.
Физические свойства воды
Бесцветная, без вкуса и запаха чистая вода представляет собой легкоподвижную жидкость с плотностью (при температуре 4°C) = 1 г/см3.
Вода переходит в парообразное состояние при атмосферном давлении 101,3 кПа (при температуре 100 °C) и в этом состоянии становится частью воздуха. Когда вода кристаллизуется и становится твердой, она известна как лед.
- Температура плавления льда — 0 °С,
- Температура кипения воды — 100 °С,
- Температура затвердевания воды — 0 °С.
Вода представляет собой бесцветную жидкость без запаха при комнатной температуре. В тонких слоях она не имеет цвета, но если толщина превышает 2 метра, то кажется голубой.
Хотя чистая вода является слабым проводником электричества, по ее электропроводности можно оценить ее чистоту – чем ниже электропроводность, тем чище вода.
По сравнению с жидкостями большинство твердых тел имеют более высокую плотность. Однако лед (вода в твердом состоянии), имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.
Плотность льда при 0°C составляет около 0,92 г/см3, а плотность жидкой воды — около 1,00 г/см3. Это свойство позволяет льду плавать на воде, поэтому реки и океаны замерзают с поверхности вниз, защищая водные организмы от вреда. Вода обладает высокой теплоемкостью, а это значит, что она медленно нагревается и остывает. Это свойство позволяет морям и океанам накапливать тепло летом и отдавать его зимой, предотвращая резкие перепады температур на Земле. Вода обладает замечательными свойствами, что делает ее настоящим чудом природы. Лед остается на поверхности воды, а глубокие моря, озера и реки не промерзают до дна. Когда вода замерзает, она расширяется, что приводит к меньшей плотности и массе, чем у жидкой воде, поэтому лёд плавает на поверхности. Это уникальное свойство воды в водоемах помогает поддерживать жизнь даже зимой.
Благодаря высокой теплоемкости (42 Дж/г · град) вода медленно нагревается и остывает, что делает ее отличным теплоносителем. Водоемы помогают регулировать температуру на нашей планете, предотвращая перегрев летом и снабжая теплом континенты зимой. Капли воды, рассеянные в атмосфере, защищают Землю от космического холода.
По сути, океаны и моря действуют как аккумуляторы тепла на нашей планете. Вода кипит при 100°С при нормальном давлении (101,3 кПа).
Температура кипения воды снижается при понижении давления. Например, на высоте около 5000 м давление ниже нормы, а значит, вода кипит при температуре около 84°С.
Приготовление пищи на больших высотах занимает больше времени из-за более низкой температуры кипения. И наоборот, скороварка повышает температуру кипения воды выше 100°C, что ускоряет процесс приготовления.
Вода – универсальный растворитель, в котором растворяются многие вещества.
Существование воды на Земле в трех агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом — обусловлено критическим фактором: вращением Земли вокруг Солнца на расстоянии 149,6 млн км. Если бы расстояние между Землей и Солнцем было меньше 134 млн км, вся вода в океанах, морях и реках испарилась бы. Если бы расстояние было больше 166 млн км, жидкая вода превратилась бы в лед.
Химические свойства воды
Когда-то вода считалась простым веществом на протяжении многих веков, пока Антуан Лоран Лавуазье не разложил ее в 1783 году. Лавуазье открыл, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 году дал первую оценку ее количественного состава, который составлял 15% водорода и 85% кислорода. В дальнейшем несколько ученых провели количественные анализы воды.
Долгое время считались образцом результаты, которые были получены Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1808 году, которые показали 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Однако Йенс Якоб Берцелиус и Пьер Луи Дюлонг сделали более правильный анализ в 1821 году и обнаружили, что вода содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям 11,19% водорода и 88,81% кислорода.
Гей-Люссак определил объемные соотношения реагирующих газов и показал, что из одного объема кислорода и двух объемов водорода образуется два объема водяного пара (при температуре выше 100°С). Сделан вывод, что две частицы водяного пара образовались из одной частицы кислорода и двух частиц водорода с учетом закона Авогадро. В результате была выведена формула воды H2O.
Взаимодействие воды с веществами
При взаимодействии активных металлов, находящихся до (включительно) ряда активности металлов, с водой образуются щелочи и водород.
В природе нет полностью нерастворимых веществ, поскольку все они подвергаются воздействию воды в разной степени, при этом количество вещества, растворенного в воде, различается в зависимости от вещества. Поэтому вода в природе представляет собой сложный раствор различных веществ, именуемый природной водой в отличие от химически чистой Н2О.
Вода образует гидраты и кристаллогидраты, связываясь с ионами и молекулами. Многие оксиды соединяются с водой, образуя кислоты и основания. При взаимодействии воды с наиболее активными металлами выделяется водород. Следы воды необходимы для реакции щелочных металлов и водорода с хлором. И, наоборот, вода может быть каталитическим ядом, например, для железного катализатора в синтезе аммиака. Твердая вода (лед) имеет рыхлую структуру за счет образования водородных связей и содержит обширные замкнутые полости двух типов: большие и малые.
Эти полости могут содержать молекулы других веществ соответствующего размера, удерживаемые на месте силами Ван-дер-Ваальса. Так образуются газовые гидраты, или клатраты — соединения типа «гость-хозяин», в которых «гостями» являются молекулы газов или легкокипящих жидкостей (таких как инертные газы, галогены, углеводороды), и «хозяева» — это молекулы воды, образующие кристаллический каркас. Газогидраты выглядят как снег или рыхлый лед, но могут существовать только при повышенном давлении и отрицательных температурах.
Вода также взаимодействует с различными соединениями, такими как фтор, интергалогениды, соли, образованные слабой кислотой и основанием, ангидриды, галогениды карбоновых и неорганических кислот, активные металлоорганические соединения, карбиды, нитриды, фосфиды, силициды, гидриды активных металлов, бораны, силаны, кетены и фториды инертных газов. Вода также реагирует с Fe, Mg, C, CH4 и некоторыми алкилгалогенидами при нагревании.
Вода является катализатором некоторых реакций, таких как реакция Cl2 с металлами.
На катализаторах вода реагирует с амидами, эфирами карбоновых кислот, ацетиленом, алкинами, алкенами и нитрилами. Вода также образует клатраты, представляющие собой соединения без химических связей.
Она вступает в реакцию с газами, заполняющими полости в его структуре.
Наиболее важной реакцией воды является синтез крахмала растениями, в результате которого выделяется O2.
Химический состав природных вод
Химический состав природных вод включает в себя совокупность минеральных и органических веществ, находящихся в различных состояниях: ионно-молекулярных и коллоидных.
В целом химический состав природных вод можно разделить на пять групп:
- основные ионы, такие как хлориды, сульфаты, бикарбонаты, карбонаты, натрий, калий, магний и кальций;
- растворенные газы, такие как кислород, азот, двуокись углерода, сероводород,
- биогенные элементы, включающие соединения азота, фосфора и кремния; микроэлементы, содержащие соединения всех других химических элементов;
- и органические вещества.
Ионы водорода присутствуют в природных водах в небольших количествах, но они играют значительную роль в химических и биологических процессах, происходящих в природных водах, что делает их присутствие заслуживающим внимания. Важно отметить, что такое деление на группы является в некоторой степени условным, поскольку некоторые элементы, например кальций и калий, так же усваиваются и требуются организму, как и биогенные элементы, а концентрации биогенных элементов могут быть даже ниже микроэлементов.
Определение общей концентрации подобных ионов со сложными химическими свойствами, таких как фосфор с мышьяком, кальций с барием и стронцием, хлор с бромом и йодом, может создать трудности при анализе. Существуют аналитические методы для раздельного определения этих элементов; однако это может занять много времени и сил.
В большинстве случаев ограничиваются определением общей концентрации с пересчетом ее на основной элемент.
Природная вода обладает такими качественными характеристиками, как жесткость, щелочность, окисляемость, агрессивность. Эти свойства зависят от сочетания в воде нескольких компонентов, а не одного.
Жесткость воды зависит главным образом от наличия в ней растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называется общей жесткостью (мг-экв/дм3 или мг-экв/л). Его можно разделить на мягкий (<4 мэкв/л), средней жесткости (4-8 мэкв/л), жесткий (8-12 мэкв/л) и очень жесткий (>12 мэкв/л).
Щелочность – это способность сильной кислоты реагировать с различными компонентами природной воды. В большинстве природных вод преобладают карбонаты, обычно различают только гидрокарбонатную и карбонатную щелочности. Гидратная щелочность встречается редко, обычно при рН > 8,5.
Окисляемость характеризует содержание в воде органических и минеральных веществ, способных окисляться одним из сильных химических окислителей.
Химическое потребление кислорода (ХПК) – показатель, характеризующий общее содержание органических веществ в воде по количеству химически связанного кислорода, израсходованного на окисление.
Биохимическая потребность в кислороде (БПК) относится к количеству кислорода в миллиграммах, необходимому для окисления органических веществ в 1 литре воды в аэробных условиях, при 20°C без света, в течение определенного периода времени из-за биохимических процессов, происходящих в воде.
Агрессивность означает способность воды и растворяющихся в ней веществ химически разрушать различные материалы, такие как бетон, металлы и т. д.
Минерализация воды – это сумма всех обнаруженных при анализе минеральных веществ, измеренная в мг/л или г/кг (при сумме более одного г/кг) в воде.
В океанографии термин соленость используется вместо минерализации.
Вода как растворитель
Вода растворяет твердые, жидкие и газообразные вещества, которые подразделяются на три группы:
- Хорошо растворимые вещества: более 10 г вещества растворяется в 100 г воды.
- Малорастворимые или малорастворимые вещества: в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества.
- Практически нерастворимые вещества: менее 0,01 г вещества растворяется в 100 г воды.
Породы и минералы, служащие источниками солей для минерализации природных вод, можно разделить на три группы:
- магматические и вулканические породы, образующие при своем разложении растворимые соли
- соли, рассеянные в сухом, растворенном или адсорбированном состоянии в различных осадочных породах в) минералы и растворимые соли в виде скоплений или отложений, таких как известняк, мергель, доломит, гипс, каменная соль.
- такие горные породы, как известняк, мергель, доломит, гипс, каменная соль, содержат минералы и растворимые соли в виде скоплений или отложений.
Наиболее распространенная классификация воды основана на степени ее минерализации.
Вода с содержанием минералов менее 0,2 мг/л считается ультрапресной, а вода, содержащая 0,2-0,5 мг/л, считается пресной.
Вода с относительно высоким содержанием минералов — минерализация в пределах от 0,5 до 1,0 мг/л, а солоноватая вода имеет минерализацию в пределах от 1,0 до 3,0 мг/л.
Соленая вода — концентрация минеральных солей колеблется от 3 до 10 мг/л, вода с высокой минерализацией от 10 до 35 мг/л, а рассолы содержат более 35 мг/л минералов.
Другой метод классификации основан на сумме ионов в воде.
Пресная вода содержит до 1,0 г/кг, а вода с морской соленостью имеет концентрацию 25-50 г/кг. Вода с содержанием ионов более 50 г/кг считается рассолом.
Вода при температуре выше 100° распадается на водород и кислород.
