Kitabı oku: «Смысл, Цель и Суть жизни человека», sayfa 18

История названия

Слово происходит от др. – русск. вода, далее – от праславянского voda¹¹¹ (ср. ст. – слав. вода, болг. водa, сербохорв вoда, словен vуda, чеш voda, слвц voda, польск woda, в-луж, н-луж woda), затем – от праиндоевропейского wed-, родственного лит vanduх, жем unduo, д-в-н waʒʒar «вода», гот. watō, англ. water, греч. ὕδωρ, ὕδατος, фриг. βέδυ, др. – инд. udakбm, uda-, udбn- «вода», unбtti «бить ключом», «орошать», ṓdman- «поток», алб. uj «вода»¹¹².¹¹³ Русские слова «ведро», «выдра» имеют тот же корень.

В рамках необщепринятой гипотезы о существовании некогда праностратического языка слово может сравниваться с гипотетическим прауральским wete (ср., например, фин. vesi, эст. vesi, коми va, венг. viz), а также с предполагаемыми праалтайскими, прадравидийским и прочими словами, и реконструироваться как wetV для праязыка¹¹⁴.

Химические названия

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий:

• Оксид водорода: бинарное соединение водорода с атомом кислорода в степени окисления -2, встречается также устаревшее название окись водорода.

• Гидроксид водорода: соединение гидроксильной группы ОН и катиона (Н⁺).

• Гидроксильная кислота: воду можно рассматривать как соединение катиона Н⁺, который может быть замещён металлом, и «гидроксильного остатка» (ОН’).

• Монооксид дигидрогена.

• Дигидромонооксид.

Свойства

Физические свойства

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, тогда как аналогичные водородные соединения других элементов являются газами (H₂S, СН₄, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (р=1,84Д, уступает только синильной кислоте и диметилсульфоксиду). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей – две из них образует атом кислорода и две – атомы водорода¹¹⁵. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования^[,б]. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при -80 °C, а замерзала при -100 °C¹¹⁶.

71 % поверхности Земли покрывает вода

При переходе в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, при этом объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет меньшую плотность (больший объём) воды в фазе льда. При испарении, напротив, все водородные связи рвутся. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель.

Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (333,55 кДж/кг при 0 °C) и парообразования (2250 кДж/кг).

Физические свойства разных изотопных модификаций воды при различных температурах:¹¹⁷

Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Капля, ударяющаяся о поверхность воды

Вода является хорошим растворителем веществ с молекулами, обладающими электрическим дипольным моментом. При растворении молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные – атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды важно для живых существ. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде¹¹⁸. Вода необходима для жизни всех без исключения живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Чистая вода – хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована на ионы и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония Н₃О⁺) и гидроксильных ионов ОН^- составляет Ю^-7 моль/л. Но поскольку вода – хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные вещества, например, соли, то есть в растворе присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. Поэтому обычная вода хорошо проводит электрический ток. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления п = 1,33 в оптическом диапазоне. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, чем обусловлен нагрев пищевых продуктов в микроволновой печи.

Агрегатные состояния

По состоянию различают:

• «твёрдое» – лёд;

• «жидкое» – вода;

• «газообразное» – водяной пар.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твёрдое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»), При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды – падает.

Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси – давление в Па, по горизонтальной – температура в Кельвинах. Отмечены критическая (647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда

При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

Типы снежинок

С ростом давления температура кипения воды растёт:¹¹⁹

При росте давления плотность насыщенного водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды – падает. При температуре 374 °C (647 К) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».

Вода может находиться в метастабильных состояниях – пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Также, вода может существовать в виде двух разных жидкостей («вторая вода» возникает при температуре около -70 °C и давлении в тысячи атмосфер), которые при определённых условиях даже не смешиваются друг с другом; гипотеза, что вода может существовать в двух различных жидких состояниях, была предложена примерно 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования и экспериментально проверена только в 2020 г.¹²⁰

Удельная теплоёмкость

Теплоёмкость льда, воды, и водяного пара при различных давлениях

Эти данные можно аппроксимировать уравнением

C_p(t) = 4219,7 + 0,009356 ∙ t² – 9,2788 ∙ √t {0 ≤ t ≤ 100 °C}¹²¹.

Диэлектрическая проницаемость воды

Статическая (для постоянного электростатического поля) диэлектрическая проницаемость воды при разной абсолютной температуре при давлении 1 бар в диапазоне температур -13… 100 °C выражается эмпирической формулой¹²²

ϵ (T) = 253,0390655 – 0,810393675889 · T + 0,000753946922643 · T²;

P = 1 bar; 260 K ≤ T ≤ 373,15 K.

Результаты вычислений по этой формуле¹²³:

Оптические свойства

Они оцениваются по прозрачности воды, которая, в свою очередь, зависит от длины волны излучения, проходящего через воду. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов света вода приобретает голубоватую окраску. Вода прозрачна только для видимого света и сильно поглощает инфракрасное излучение, поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается чёрной. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоёмов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой. Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег – около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.

Изотопные модификации

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) Н₂О;

• тяжёлая вода (дейтериевая) D₂O;

• сверхтяжёлая вода (тритиевая) Т₂О;

• тритий-дейтериевая вода TDO;

• тритий-протиевая вода ТНО;

• дейтерий-протиевая вода DHO.

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий – самый лёгкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м., тритий – самый тяжёлый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м. В воде из-под крана тяжелокислородной воды (Н₂О¹⁷ и Н₂О¹⁸) содержится больше, чем воды D₂O¹⁶: их содержание, соответственно, 1,8 кг и 0,15 кг на тонну¹²⁴.

Хотя тяжёлая вода часто считается мёртвой водой, так как живые организмы в ней жить не могут, некоторые микроорганизмы могут быть приучены к существованию в ней¹²⁵.

По стабильным изотопам кислорода ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.

Химические свойства

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.

Воду иногда рассматривают как амфолит – и кислоту и основание одновременно (катион Н⁺ анион ОН^-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), рК_а = р (1,8-10^-16) ~ 15,74. Вода – химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и, в частности, гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Воду можно получать:

• В ходе реакций -

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂↑

NaHCO₃ + СН₃СООН → CH₃COONa + Н₂О + СО₂↑

2СН₃СООН + СаСО₃ → Са(СН₃СОО)₂ + Н₂О + СО₂↑

• В ходе реакций нейтрализации -

H₂SO₄ + 2КОН → K₂SO₄ + 2Н₂О

HNO₃ + NH₄OH → NH₄NO₃ + Н₂О

2СН₃СООН + Ва(ОН)₂ Ва(СН₃СОО)₂ + 2Н₂О

• Восстановлением водородомаоксидов металлов -

CuO + Н₂ → Си + Н₂О

Под воздействием очень высоких температур или электрического тока (при электролизе)¹²⁶, а также под воздействием ионизирующего излучения, как установил в 1902 году¹²⁷ Фридрих Гизель при исследовании водного раствора бромида радия¹²⁸, вода разлагается на молекулярный кислород и молекулярный водород:

2Н₂О → 2Н₂1 + О₂↑

Вода реагирует при комнатной температуре:

• с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

2Н₂О + 2Na → 2NaOH + Н₂↑

• со фтором и межгалоидными соединениями

2Н₂О + 2F₂ → 4HF + О₂

Н₂О + F₂ HF + HOF (при низких температурах)

3Н₂О + 2IF₅ → 5HF + НЮ₃

9Н₂О + 5BrF₃ → 15HF + Вг₂ – 3НВгО₃

• с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз

Al₂S₃ + 6Н₂О → 2Al(ОН)₃↓ + 3H₂S↑

• с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот;

• с активными металлорганическими соединениями (ди-этилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.);

• с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.);

• со многими солями, образуя гидраты;

• с боранами, силанами;

• с кетенами, недоокисью углерода;

• с фторидами благородных газов.

Вода реагирует при нагревании:

4Н₂О + 3Fe → Fe₃O₄ + 4Н₂

• с железом, магнием;

• с углём, метаном;

• с некоторыми алкилгалогенидами.

Вода реагирует в присутствии катализатора:

Н₂О + С ⇄ CO + H₂

• с амидами, эфирами карбоновых кислот;

• с ацетиленом и другими алкинами;

• с алкенами;

• с нитрилами.

Волновая функция основного состояния воды

В валентном приближении электронная конфигурация молекулы Н₂О в основном состоянии: (1a₁)¹ (1b₂)² (1b₁)² (2b₂)⁰ (3a₁)⁰.

Молекула имеет замкнутую оболочку, неспаренных электронов нет. Заняты электронами четыре молекулярные орбитали (МО φ_i) – по два электрона на каждой МО φ_i, один со спином α, другой со спином β, или 8 спин-орбиталей ψ.

Волновая функция молекулы ψ, представленная единственным детерминантом Слэтера Φ, имеет вид:

Симметрия этой волновой функции определяется прямым произведением НП, по которым преобразуются все занятые спин-орбитали:

Принимая во внимание, что прямое произведение невырожденного НП самого на себя является полносимметричным НП и прямое произведение любого невырожденного представления Г на полносимметричное есть Г, получаем:

Виды

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях:

• твёрдом;

• жидком;

• газообразном.

Вода может приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать и взаимодействовать друг с другом:

• водяной пар и облака в небе;

• морская вода и айсберги;

• ледники и реки на поверхности земли;

• водоносные слои в земле.

Вода способна растворять в себе множество органических и неорганических веществ. Из-за важности воды как источника жизни, её нередко подразделяют на типы по различным принципам.

Виды воды по особенностям происхождения, состава или применения

По содержанию катионов кальция и магния:

• мягкая вода;

• жёсткая вода.

По изотопам водорода в молекуле:

• лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной);

• тяжёлая вода (дейтериевая);

• сверхтяжёлая вода (тритиевая).

Другие виды:

• пресная вода;

• дождевая вода;

• морская вода;

• подземные воды;

• минеральная вода;

• солоноватая вода;

• питьевая вода и водопроводная вода;

• дистиллированная вода и деионизированная вода;

• сточные воды;

• ливневая вода или поверхностные воды;

• апирогенная вода;

• поливода;

• структурированная вода;

• талая вода;

• мёртвая вода и живая вода – виды воды со сказочными свойствами.

Вода, входящая в состав другого вещества и связанная с ним физическими связями, называется влагой. В зависимости от вида связи, выделяют:

• сорбционную, капиллярную и осмотическую влагу в твёрдых веществах;

• растворённую и эмульсионную влагу в жидкостях;

• водяной пар или туман в газах.

Вещество, содержащее влагу, называют влажным веществом. Влажное вещество, не способное более сорбировать (поглощать) влагу, – насыщенное влагой вещество.

Вещество, в котором содержание влаги пренебрежимо мало при данном конкретном применении, называют сухим веществом. Гипотетическое вещество, совершенно не содержащее влагу, – абсолютно сухое вещество. Сухое вещество, составляющее основу данного влажного вещества, называют сухой частью влажного вещества.

Смесь газа с водяным паром носит название влажный газ (парогазовая смесь – устаревшее название).

В природе

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая – криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

Мировой океан содержит более 97,54 % земной воды, ледники – 1,81 %, подземные воды – около 0,63 %, реки и озёра – 0,009 %, материковые солёные воды – 0,007 %, атмосфера – 0,001 %¹²⁹.

Вода за пределами Земли

Вода – чрезвычайно распространённое вещество в космосе, однако из-за высокого внутрижидкостного давления вода не может существовать в жидком состоянии в условиях вакуума космоса, отчего она представлена только в виде пара или льда.

Одним из наиболее важных вопросов, связанных с освоением космоса человеком и возможности возникновения жизни на других планетах, является вопрос о наличии воды за пределами Земли в достаточно большой концентрации. Известно, что некоторые кометы более, чем на 50 % состоят из водяного льда. Не стоит, впрочем, забывать, что не любая водная среда пригодна для жизни.

В результате бомбардировки лунного кратера, проведённой 9 октября 2009 года НАСА с использованием космического аппарата LCROSS, впервые были получены достоверные свидетельства наличия на спутнике Земли водяного льда в больших объёмах¹³⁰.

Вода широко распространена в Солнечной системе. Наличие воды (в основном в виде льда) подтверждено на многих спутниках Юпитера и Сатурна: Энцеладе¹³¹,¹³² Тефии, Европе, Ганимеде и др. Вода присутствует в составе всех комет и многих астероидов. Учёными предполагается, что многие транснептуновые объекты имеют в своём составе воду.

Вода в виде паров содержится в атмосфере Солнца (следы)¹³³, атмосферах Меркурия (3,4 %, также большие количества воды обнаружены в экзосфере Меркурия)¹³⁴, Венеры (0,002 %)¹³⁵, Луны¹³⁶, Марса (0,03 %)¹³⁷, Юпитера (0,0004 %)¹³⁸, Европы¹³⁹, Сатурна, Урана (следы)¹⁴⁰ и Нептуна¹⁴¹ (найден в нижних слоях атмосферы).

Содержание водяного пара в атмосфере Земли у поверхности колеблется от 3–4 % в тропиках и до 2-10-5% в Антарктиде.

Кроме того, вода обнаружена на экзопланетах, например HD 189733 A b¹⁴², HD 209458 Ь¹⁴³ и GJ1214 Ь¹⁴⁴.

Жидкая вода, предположительно, имеется под поверхностью некоторых спутников планет – наиболее вероятно, на Европе – спутнике Юпитера.

Биологическая роль

Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время – достаточную сложность образующихся комплексных соединений.

Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.

Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоёмах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоёма, это позволяет его обитателям выжить. Существует и другая точка зрения: если бы вода не расширялась при замерзании, то не разрушались бы клеточные структуры, соответственно замораживание не наносило бы ущерба живым организмам. Некоторые существа (тритоны) переносят замораживание/оттаивание – считается, что этому способствует особый состав клеточной плазмы, не расширяющейся при замораживании.

Применение

В земледелии

Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию.

Для питья и приготовления пищи

Живое человеческое тело содержит от 50 % до 75 % воды¹⁴⁵, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т. д. человеку нужно выпивать разное количество воды. Ведётся много споров о том, сколько воды нужно потреблять для оптимального функционирования организма.

Бокал чистой питьевой воды

Полный стакан с водой

Питьевая вода представляет собой воду из какого-либо источника, очищенную от микроорганизмов и вредных примесей. Пригодность воды для питья при её обеззараживании перед подачей в водопровод оценивается по количеству кишечных палочек на литр воды, поскольку кишечные палочки распространены и достаточно устойчивы к антибактериальным средствам, и если кишечных палочек будет мало, то будет мало и других микробов. Если кишечных палочек не больше, чем 3 на литр, вода считается пригодной для питья¹⁴⁶.¹⁴⁷

Схема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР)