Вода

Вода́, оксид водню (давньогрец. ὕδωρ ― гідро, лат. aqua ― аква) — найпростіша стійка хімічна сполука водню з киснем (H₂O), за нормальних умов ― рідина без запаху, смаку і кольору. Одна з найпоширеніших на планеті сполук, що відіграє надзвичайну роль в різноманітних процесах живої і неживої природи Землі. У природі існує у трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Склад води вперше був встановлений А. Л. Лавуазьє в 1783.

На Землі відбувається постійний кругообіг води

Два агрегатні стани води - твердий (лід) та рідкий (вода)

Газоподібний стан води - випаровування з поверхні ґрунту

Характеристика

Молярна маса ― 18,01528 г/моль;
густина – 1 г/см3 (при 3,98 °C);
динамічна в'язкість ― 0,00101 Па·с;
кінематична в'язкість ― 0,01012 см²/с (при 20 °C);
швидкість звуку в речовині (дистильована вода) ― 1348 м/с ;
проникність діелектрична ― 80;
температура плавлення ― 0 °C (273,1 K);
температура кипіння ― 99,98 °C (373,1 K);
температура розкладання ― 2 200 °C;
потрійна точка ― 0,01 °C (273,2 K); 611,72 Па;
критична точка ― 374 ° C (647,1 K); 22,064 МПа;
молярна теплоємність ― 75,37 Дж/(моль·К);
теплопровідність ― 0,56 Вт/(м·K);
питома теплота випаровування – 2256,2 кДж/кг;
питома теплота плавлення ― 332,4 кДж/кг.

Поширення

Вода утворює гідросферу Землі, входить у зв’язаному вигляді до складу різних мінералів та гірських порід, є обов'язковим компонентом усіх живих організмів, присутня в атмосфері та ґрунті. На Землі існує постійний кругообіг води. Молекули води виявлені в міжзоряному середовищі; вона входить до складу комет, більшості планет Сонячної системи та їхніх супутників. Поверхня Землі на 70,8 % покрита водою. Кількість води на Землі оцінюють у 1 386 млн км³. Близько 97,5 % ― солона вода океанів і морів (середня солоність 35 ‰), частини підземних водоносних горизонтів і соляних озер. Лише 2,5 % від загальної кількості води становить прісна вода (з мінералізацією до 1,0 г/дм³). Вона є основою водних ресурсів, знаходиться в основному в льодовиках (1,74 %) і підземних водах (близько 0,76 %), і лише невелика частина (0,007 %) в річках і озерах.

Природна вода завжди містить розчинені солі, гази та органічні речовини, а також колоїдні частинки і мікроорганізми. Склад домішок залежить від походження води. За мінералізацією розрізняють наступні типи води: атмосферні опади (10–20 мг/дм³), ультрапрісні (до 200 мг/дм³), прісні (200–500 мг/дм³), слабомінералізовані (0,5–1,0 г/дм³), солонуваті (1–3 г/дм³), солоні (3–10 г/дм³), з підвищеною солоністю (10–35 г/дм³), перехідні до розсолу (35–50 г/дм³), розсоли (понад 50 г/дм³). Максимальні концентрації солей характерні для води соляних озер (до 300 г/дм³) та глибоких підземних вод (до 600 г/дм³).

У прісних водах переважають йони (макрокомпоненти):

НСО₃^-, SO₄^2-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K+.

До мікрокомпонентів у природних водах належать:

B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I та інші.

З розчинених газів у природних водах присутні:

N₂, O₂, CO₂, благородні гази, рідко H₂S та вуглеводні.

Концентрація органічних речовин у воді річок близько 20 мг/дм³, у водах океану ― близько 4 мг/дм³; їхній склад надзвичайно різноманітний.

При водопостачанні населених пунктів питну воду очищають на водопровідних спорудах.

Модель структури молекули води (H₂O)

Розташування атомів водню в молекулі води утворює кут 104,45^o з вершиною в центрі атому кисню

Спрощена просторова модель формування водневих зв'язків між молекулами води

Ізотопний склад

Водень має два стабільних ізотопи: протій (Н) ― ¹H і дейтерій (D) ― ²H.

Вперше існування ізотопів водню було підтверджено в 1932 Г. К. Юрі. У кисню три стійких ізотопи: ¹⁶O, ¹⁷O і ¹⁸O. Комбінації 5 стабільних ізотопів водню і кисню дають набір з 9 різновидів молекул води. Їхній вміст у природних водах в середньому становить (мол. %): ¹H₂¹⁶O — 99,73; ¹H₂¹⁸O — 0,2; ¹H₂¹⁷O — 0,04; ¹H₂H¹⁶O — 0,03; інші різновиди присутні в незначних кількостях.

Молекула ¹H₂¹⁶O (основна складова звичної людям води) є найлегшою з різновидів. Важка вода (²H₂O), яку отримують штучно, істотно відрізняється за властивостями від природної. Природна вода містить також радіоактивний тритій (³Н).

Будова молекули і фізичні властивості

Атоми H і O в молекулі води розташовані у вершинах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку O—H 0,0957 нм; валентний кут H—O—H. Атоми водню приєднані до атома кисню, утворюють кут 104,45 °. Електронна густина молекули води розподілена таким чином, що виникають 4 полюси зарядів, розташовані у вершинах спотвореного тетраедра: два позитивних на атомах H і два негативних на неподілених електронних парах атома O. Дипольний момент 6,17·10^-30 Кл·м, енергія йонізації 12,6 еВ, спорідненість до протону 7,1 еВ.

Дипольні молекули води взаємодіють одна з одною і з полярними молекулами інших речовин (атоми водню можуть утворювати водневі зв'язки з атомами O, N, F, Cl, S та ін.). Кожна молекула води здатна утворювати 4 водневі зв'язки: два ― як донор протонів, два ― як акцептор. Середня довжина таких зв'язків у кристалічних модифікаціях льоду (відомо 10) і кристалогідратів — близько 0,28 нм. Кут O —HO прагне до 180 °. За звичайних умов лід існує в гексагональній модифікації; кут H—O—H близький до тетраедродного (109,5 °), що зумовлює рихлість структури льоду. При збільшенні зовнішнього тиску лід переходить у модифікації з більшою густиною; максимальна густина льоду —1 660 кг/м³.

Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, зберігається і в рідкій воді. Виявлено об'єднання молекул води в асоціації і навіть у великі кластери (130 молекул H₂O при 0 °C, 90 ― при 20 °C, 60 ― при 72 °C, тривалість існування 10^-11–10^-10 с).

Фазова діаграма води: на вертикальній осі - тиск в Па, на горизонтальній - температура в кельвінах. Позначено критична (647,3 K; 22,1 МПа) та потрійна (273,16 K; 610 Па) точки. Римськими цифрами - різні структурні модифікації льоду

Аномалії фізичних властивостей

Будова молекули води та наявність водневих зв'язків обумовлюють аномалію фізичних властивостей. Так, густина води максимальна (1 000 кг/м³) при 3,98 °C і при замерзанні різко падає (збільшення об’єму на 9 %). Збільшення густини при плавленні пояснюється входженням частини незв'язаних молекул води в порожнечі тривимірної сітки. Тепловий рух молекул, що посилюється при нагріванні, зумовлює зменшення густини. Наявність цих двох протилежних тенденцій пояснює своєрідну залежність об’єму води від температури.

Наявність пустот в структурі льоду є також причиною здатності води до значного переохолодження (до –30 °C). Висока міцність водневих зв'язків (близько 21 кДж/моль) пояснює високі значення температури кипіння і плавлення, питомої теплоти плавлення і кипіння, діелектричної проникності тощо.

Аномалії спостерігаються також в температурній залежності питомої теплоємності (мінімум при 35 °C), зменшенні в'язкості зі зростанням тиску, малій стисливості та її зменшенні зі зростанням температури. Потрійна точка води (рівновага: рідка вода ― лід ― пара) відповідає температурі 0,01 °C і тиску 6,1 гПа.

Вода як розчинник

Високі діелектрична проникність і дипольний момент води визначають її хорошу розчинну здатність по відношенню до полярних і йоногенних речовин. Зазвичай розчинність зростає зі збільшенням температури. Розчинність у воді малополярних речовин (включно з газами) порівняно мала. З ростом тиску і при зниженні температури розчинність газів зростає. Багато речовин реагують з водою при розчиненні. Між розчиненими у воді йонами, атомами, молекулами, які не вступають з нею в хімічні реакції, і молекулами води існують йон-дипольні і міжмолекулярні взаємодії.

Внаслідок високої розчинної здатності води отримати її в чистому вигляді важко. Для наукових досліджень, в медицині та ін. застосовують дистильовану воду. Абсолютно чисту воду синтезують з H₂ і O₂.

Хімічні властивості

Вода — слабкий електроліт, що дисоціює за рівнянням:

H₂O⇄H⁺ + OH^-.

Протон миттєво гідpатується з утворенням йонів гідpоксонія H₃O⁺ (ентальпія утворення ― 1 121,3 кДж/моль). Ступінь дисоціації води зростає з підвищенням температури. Дисоціація води ― причина гідролізу солей слабких кислот і основ. Концентрація йонів H⁺ (рН) ― важлива характеристика водних розчинів (водневий показник).

Утворення води з елементів за низьких температур відбувається вкрай повільно; швидкість реакції різко зростає з підвищенням температури (при 550 °C ― з вибухом). Під дією ультрафіолетового випромінювання відбувається фотодисоціація води. Йонізуюче випромінювання викликає радіоліз води з утворенням H₂, H₂O₂ і вільних радикалів (H+, OH^-, HO₂^-). Вода окиснюється атомарним киснем до H₂O₂. При взаємодії води з F₂ утворюються HF та інші сполуки. З іншими галогенами за низьких температур вода утворює суміші кислот (наприклад, HCl і HClO). При пропусканні парів води через розпечене вугілля H₂O розкладається на водяний газ (CO і H₂). При підвищеній температурі у присутності каталізатора реагує з CO і вуглеводнями з утворенням H₂ (використовують для промислового отримання H₂). Вода взаємодіє з найбільш активними металами з утворенням H₂ і відповідного гідроксиду. При взаємодії води з багатьма оксидами утворюються кислоти або основи. З солями утворює кристалогідрати, з багатьма газами за низьких температур (інертні гази, вуглеводні) ― сполуки включення, газові гідрати. Приєднання води до молекул ненасичених вуглеводнів лежить в основі промислового способу отримання спиртів, альдегідів і кетонів.

Біологічна роль

На думку вчених, у водному середовищі виникло життя. Для водних і земноводних організмів вода є місцем існування. Нестача води викликає порушення життєдіяльності всіх організмів, а її тривалу відсутність можуть переносити лише форми життя, що знаходяться у стані спокою (спори, насіння рослин). У більшості випадків вода є невід'ємним компонентом живих організмів; вона знаходиться всередині клітин і служить основою позаклітинних рідин: наприклад, гемолімфа і кров у тварин, флоемний (див. Флоема) і ксилемний (див. Ксилема) потоки у рослин).

Вміст води в різних організмах різниться: у водоростей на частку води припадає 90–98 %, у листі наземних рослин ― 75–86, в насінні злаків ― 12-14, у мохів та лишайників ― 5–7, у кишковопорожнинних ― 95–98, у комах ― 45–65, у ссавців ― 60–70 %. В організм вода надходить із зовнішнього середовища; вона утворюється там також у процесі метаболізму (наприклад, у тварин при окисленні 100 г жирів утворюється 107 дм³ води, а при окисленні 100 г вуглеводів ― 55 дм³).

В організмі людини вода знаходиться в різних рідинних фазах: внутрішньоклітинній (близько 55 % всієї води тіла) і позаклітинній (45%) ― в судинах (кров, лімфа) і в міжклітинному просторі. Вміст води зменшується з віком: у новонародженої дитини 79 % від маси тіла, у віці 3–6 місяців ― 70 %, у 6–12-місячних ― близько 60 %. У чоловіків вміст води вищий, ніж у жінок: у віці 16–39 років близько 60 % від маси тіла, в 40–59 років ― 55%, в 60 років і старше ― близько 51 % і менше, у жінок відповідно 50, 46,7, 45,5 %.

Значення

Без води неможливе існування живих організмів. Воді належить найважливіша роль в геологічній історії Землі і виникненні життя, в формуванні довкілля, клімату і погоди. Завдяки високим значенням питомої теплоємності, теплоти плавлення і теплоти випаровування, вода здійснює стабілізуючий вплив на температуру поверхні Землі.

Аномальна залежність густини від температури і низька густина льоду перешкоджають промерзанню водойм, що обумовлює існування в них життя.

Вода ― обов'язковий компонент багатьох технологічних процесів (зокрема робоче тіло в парових машинах, розчинник, холодоагент, теплоносій), хімічний реагент в промисловому виробництві низки кислот, лугів, кисню, водню та ін., компонент лікарських засобів, продуктів харчування тощо. Прісна вода ― незамінний водний ресурс людства; морська і озерна вода, а також розсоли ― сировинне джерело.

Література

Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Г. Вода знакомая и загадочная. Киев : Радянська школа, 1982. 120 с.
Лосев К. С. Вода. Ленинград : Гидрометеоиздат, 1989. 272 с.
Ball P. Life's matrix: a biography of water (1st ed.). University of California Press, 2001. 435 p.
World water resources at the Beginning of the 21st Century / Ed. by I.A. Shiklomanov and J.C. Rodda. Cambridge: University Press, 2003. 496 p.
Franks F. Water: a matrix of life (2nd ed.). Cambridge : Royal Society of Chemistry, 2007. 192 р.
Гончарук В. В. Наука о воде. Киев : Наукова думка, 2010. 511 c.
Хільчевський В. К., Осадчий В. І., Курило С. М. Основи гідрохімії. Київ : Ніка-Центр, 2012. 312 с.
Осадчий В. І., Набиванець Б. Й., Линник П. М. та ін. Процеси формування хімічного складу поверхневих вод. Київ : Ніка-Центр, 2013. 239 с.
Goncharuk V.V. Science about water. Kyiv : Akademperiodyka, 2014. 440 p.
Khilchevskyi V. K, Kurylo S. M., Sherstyuk N. P. Chemical composition of different types of natural waters in Ukraine // Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2018. 27(1). 68–80.

Автор ВУЕ

В. К. Хільчевський

Покликання на цю статтю: Хільчевський В. К. Вода // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Вода (дата звернення: 1.05.2024).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 16.05.2021

Важливо!

Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.

Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.

Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.

Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів

Вода

Зміст

Характеристика

Поширення

Ізотопний склад

Будова молекули і фізичні властивості

Аномалії фізичних властивостей

Вода як розчинник

Хімічні властивості

Біологічна роль

Значення

Література

Автор ВУЕ

Важливо!

Офіс Президента України

Верховна Рада України

Кабінет Міністрів України

Служба безпеки України

Міністерство оборони України

Міністерство внутрішніх справ України

Генеральний штаб Збройних сил України

Державна прикордонна служба України

Кіберполіція

Національна поліція України