Вода

Материал из Вредно житя
(перенаправлено с «Water»)
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, лёд на полюсах).

Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.

Виды воды

Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном и твёрдом и приобретать различные формы, которые могут одновременно соседствовать друг с другом. Водяной пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника жизни», её нередко подразделяют на типы по различным принципам.

По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:

Так же возможны метастабильные состояния — 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, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Свойства

Физические свойства

Вода обладает рядом необычных особенностей:

  • При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
  • При нагревании от 0 °C до 4 °C (точнее, 3,98 °C) вода сжимается. Соответственно, при остывании — плотность падает. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
  • Высокая температура и удельная теплота плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг [1]), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
  • Высокая теплоёмкость жидкой воды.
  • Низкая вязкость.
  • Высокое поверхностное натяжение.
  • Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Определенную роль играет протонное обменное взаимодействие между молекулами и внутри молекул воды. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °C этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая 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 используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO− составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Изотопные модификации воды

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

Известно, что тяжёлая вода не поддерживает жизни, то есть большинство живых организмов (за исключением некоторых микроорганизмов и грибов) в такой воде умирает.

Существуют тяжелокислородные модификации воды, но их свойства не так сильно отличаются от обычной воды, как при замене изотопов водорода.

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. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.

Вода химически довольно 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.

Вода реагирует при комнатной температуре:

  • с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)
  • с галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями
  • с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз
  • с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот
  • с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, 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:

  • с железом, магнием
  • с углем, метаном
  • с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

  • с амидами, эфирами карбоновых кислот
  • с ацетиленом и другими алкинами
  • с алкенами
  • с нитрилами

Вода 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.

Применение

Земледелие

Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

Питьё и приготовление пищи

Живое человеческое тело содержит от 55 % до 78 % воды, в зависимости от веса и возраста. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. Для нормального функционирования организма человеку нужно усвоить от 1 до 7 литров воды за день в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, физической активности и т. д.

Растворитель

Вода является растворителем для многих веществ. Она используется для очистки как самого человека, так и различных объектов человеческой деятельности. Вода используется как растворитель в промышленности.

Теплоноситель

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоёмкостью. Теплота её испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку. В качестве теплоносителя воду используют в тепловых сетях, для передачи тепла по теплотрассам от производителей тепла к потребителям. Воду в качестве льда используют для охлаждения в системах общественного питания, в медицине. Большинство атомных электростанций используют воду в качестве теплоносителя.

Замедлитель

Во многих ядерных реакторах вода используется не только в качестве теплоносителя, но и замедлителя нейтронов для эффективного протекания цепной ядерной реакции. Также существуют тяжёловодные реакторы, в которых в качестве замедлителя используется тяжёлая вода.

Пожаротушение

В пожаротушении вода зачастую используется не только как охлаждающая жидкость, но и для изоляции огня от воздуха в составе пены.

Спорт

Многие виды спорта проходят на водных поверхностях, на льду, на снегу и даже в воде. Это подводное плавание, хоккей, лодочные виды спорта, биатлон и пр.

Инструмент

Вода используется как инструмент для разрыхления, раскалывания и даже резки пород и материалов. Она используется в добывающей промышленности, горном деле и в производстве. Достаточно распространены установки по резке водой различных материалов: от резины до стали. Вода, выходящая под давлением несколько тысяч атмосфер способна разрезать стальную пластину толщиной несколько миллиметров, или более при добавлении абразивных частиц.

Смазка

Вода применяется как смазочный материал для смазки подшипников из древесины, пластиков, текстолита, подшипников с резиновыми обкладками и др. Воду также используют в эмульсионных смазках.

Интересные факты

  • В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды.
  • В составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем количество воды в Мировом океане
  • При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71 % поверхности планеты и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды.
  • Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю, и её толщина была бы 3 км.
  • Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой .
  • Морская вода при обычной её солёности 35 ‰ замерзает при температуре −1,91 °C.
  • Иногда вода замерзает при положительной температуре[2].
  • При определённых условиях (внутри нанотрубок) молекулы воды образуют новое состояние, при котором они сохраняют способность течь даже при температурах, близких к абсолютному нулю.
  • Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути.
  • Вода отражает 5 % солнечных лучей, в то время как снег — около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света.
  • Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.
  • С помощью капель воды из кранов можно создать напряжение до 10 киловольт, опыт называется «Капельница Кельвина».
  • Существует следующая поговорка с использованием формулы воды — H2O: «Сапоги мои того — пропускают H2O». Вместо сапог в поговорке может участвовать и другая дырявая обувь.
  • Вода — это одно из немногих веществ на Земле, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую (кроме воды, таким свойством обладают висмут, галлий, свинец и некоторые соединения и смеси).
  • Вода может гореть, если ее поместить в атмосферу с фтором, иногда даже со взрывом. При этом выделяется кислород.
  • Распространено мнение, что нежелательно смешивать кипячёную воду с некипячёной, якобы употребление такой воды может вызвать диарею.

См. также

Примечания

  1. ↑ Элементарный учебник физики.
  2. ↑ Всеволод Арабаджи. Загадки простой воды. 2001

Ссылки

Источник — http://xn----ctbgdhm6aio1a4i.xn--p1ai/index.php?title=Вода&oldid=607