Вода

Капля воды

Вода — это химическое вещество (греч. ὕδωρ (гидро), лат. aqua (аква)), соединение водорода с кислородом, которое имеет химическую формулу Н₂O. Это самое распространенное вещество на Земле, которое образует океаны, моря, озера и реки. Пары воды также присутствуют в воздухе, она содержится в организмах животных и растений. Вода играет важную роль для различных форм жизни, является переносчиком различных микроэлементов. Химическая формула Н₂O указывает на то, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, связанных ковалентными связями. Атомы водорода присоединены к атому кислорода под углом 104, 45°. Термин «вода» также используется для обозначения жидкого состояния Н₂O при стандартных условиях температуры и давления.

Исторические факты

Аристотель

Строение молекулы воды

Первое упоминание о воде в научных работах датируется IV веком до нашей эры и принадлежит древнегреческому философу Аристотелю. В своем труде «Учение о четырех стихиях» он описал воду как один из основных элементов, вместе с землей, огнем и воздухом. Аристотель считал воду источником холода и влаги. До XVIII века вода рассматривалась как отдельный химический элемент. В 1783 году французский ученый Антуан Лавуазье повторил эксперименты английского ученого Кавендиша и обнаружил, что вода может разлагаться на водород и кислород. Он пришел к выводу, что вода является окисью водорода. Лавуазье также определил количественный состав воды: 15 % водорода и 85 % кислорода. Впоследствии многие ученые проводили количественный анализ воды. В 1808 году французский химик и физик Жозеф Луи Гей-Люссак получил результаты, которые считались образцовыми: 13,27 % водорода и 86,73 % кислорода. Однако только в 1821 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг провели более точный анализ и обнаружили, что вода содержит 11,1 % водорода и 88,9 % кислорода, что соответствует современным значениям. Гей-Люссак изучал объемные отношения газов и показал, что один объем кислорода и два объема водорода при взаимодействии дают два объема водяного пара (при температуре выше 100° C). На основе этих результатов и с учетом закона Авогадро был сделан вывод, что две частицы водяного пара образуются из одной частицы кислорода и двух частиц водорода. Таким образом, была выведена формула воды — Н₂O.

Антуан Лавуазье

Строение молекулы

Масса молекулы воды составляет 18, 016 Да (Да — дальтон, или единица атомной массы, равная 1, 66033 · 10-27 кг), при этом содержание водорода в воде составляет 11, 19 %, а кислорода — 88, 81 %. Молекула воды имеет угловую структуру, где ядра атомов образуют равнобедренный треугольник. В основании треугольника находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода. Угол (α) между связями Н-О составляет 104, 5° в жидком состоянии, а межъядерное расстояние (a) равно 0, 099 нм. Внешний электронный слой атома кислорода содержит восемь электронов, которые образуют четыре электронные пары. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей О-Н, а две другие являются неподеленными или свободными электронными парами. В результате смещения электронов, образующих связи О-Н, к электроотрицательному атому кислорода, на атомах водорода возникают эффективные положительные заряды. Неподеленные электронные пары также смещены относительно атома кислорода и создают два отрицательных полюса. Таким образом, молекула воды имеет два положительных и два отрицательных полюса, что делает ее диполем в большинстве случаев. Благодаря дипольной структуре, молекулы воды обладают способностью образовывать водородные связи. Водородные связи возникают в результате электростатических и донорно-акцепторных взаимодействий между молекулами воды. Этим объясняется тот факт, что вода — это хороший растворитель для ионных и полярных веществ. Наличие избыточных зарядов на атомах Н и О, а также неподеленных электронных пар у атомов О обусловливает образование между молекулами воды водородных связей, вследствие чего они объединяются в ассоциаты. Существованием этих ассоциатов объясняются аномально высокие значения температуры плавления и температуры кипения воды. Результатом взаимного влияния молекул Н₂O друг на друга является их самоионизация. Явление самоионизации это процесс возникновения в одной молекуле гетеролитического разрыва полярной связи O-H, и освободившийся протон H+ присоединяется к атому кислорода другой молекулы. Образующийся ион гидроксония H₃O⁺ по существу является гидратированным ионом водорода Н+ • Н₂O. Механизм связи донорно-акцепторный.

Нахождение в природе

71 % поверхности Земли покрывает вода

Большая часть поверхности нашей планеты занята океанами и морями. Примерно 20 % суши покрыто твердой водой в виде снега и льда. Из общего количества воды на Земле, которое составляет 1 млрд 386 млн кубических километров, 1 млрд 338 млн кубических километров приходится на соленую воду Мирового океана, а всего лишь 35 млн кубических километров — на пресную воду. Если бы всю океаническую воду использовать для покрытия земного шара, то слой воды был бы толщиной более 2, 5 километра. Приблизительно на каждого жителя Земли приходится 0, 33 кубического километра морской воды и 0, 008 кубического километра пресной воды. Однако большая часть пресной воды находится в недоступном для человека состоянии. Почти 70 % пресной воды находится в ледниках полярных стран и горных ледниках, 30 % — в подземных водоносных слоях, а всего лишь 0, 006 % пресной воды содержится в реках. Природные воды представляют собой сложные системы, содержащие растворенные ионы и молекулы, минеральные и органические соединения в виде коллоидов, суспензий и эмульсий. В воде растворены газы, составляющие атмосферу, а также вещества, образующиеся в результате жизнедеятельности водных организмов и химических процессов. Состав природных вод формируется в результате взаимодействия воды с окружающей средой, такой как горные породы, почва и атмосфера. Деятельность человека также оказывает заметное влияние на состав поверхностных, подземных и атмосферных вод. Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой.

Физические свойства

Эффект, или парадокс Мпембы заключается в том, что на морозе горячая вода застывает быстрее чем холодная.

Вода — бесцветная жидкость, без вкуса и запаха, хороший растворитель. Способность молекул воды образовывать между собой водородные связи определяет существование её в конденсированном состоянии. Вода в зависимости от внешних условий (температура, давление) может существовать в трёх агрегатных состояниях: твёрдом (лёд), жидком и газообразном (водяной пар). Вода по сравнению с другими жидкостями имеет наибольшую теплоту испарения, а также значительную величину теплоты плавления. Конденсация водяного пара и замерзание воды вызывают выделение теплоты, количество которой эквивалентно поглощаемому соответственно при испарении и плавлении. Вода обладает наибольшей теплоёмкостью по сравнению с другими жидкостями и твёрдыми веществами. Все эти свойства определяются значительной величиной энергии водородной связи, которая составляет в воде 19,3 кДж/моль. Аномальные свойства воды имеют важнейшее значение для существования жизни на Земле. Холодные и тёплые океанические течения сглаживают климат тёплых и холодных областей. Высокая теплоёмкость воды морей и океанов способствует накоплению тепла в летнее время года, а его отдача в зимнее время смягчает действие морозов. Высокая теплоёмкость воды способствует поддержанию температуры теплокровных животных в различной температурной обстановке. Из всех жидкостей, за исключением ртути, вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, прозрачна, бесцветна, в значительной мере поглощает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, что играет большую роль в протекании биохимических процессов. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости вода является хорошим растворителем для соединений с полярной и ионной структурой.

Химические свойства

Вода относится к числу реакционноспособных веществ, слабый электролит. Диссоциация происходит согласно уравнения: Н₂О ⇄ Н⁺ + OH^- Протон мгновенно гидpатиpуется с образованием ионов гидpоксония Н₃О⁺ (энтальпия образования −1121,3 кДж/моль). Степень диссоциации воды возрастает при повышении температуры. Диссоциация воды — причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов Н⁺ — важная характеристика водных растворов.

1.Взаимодействие воды с металлами
2Li + 2H2O = 2LiOH + H2	Be + H2O = не взаимодействует
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2	Cu + H2O = не взаимодействует
2K + 2H2O = 2KOH + H2	Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2 (Al-без оксидной пленки)
Mg + 2H2O = (t) Mg(OH)2 + H2	2Сr + 3H2O = (t) Cr2O3 + 3H2
Sr + 2H2O = Sr(OH)2 + H2	Mn + 2H2O = (t) MnO2 + 2H2
2.Взаимодействие с неметаллами
2F2 + H2O = OF2 + 2HF	2F2 + 2H2O = O2 + 2HF
Cl2 + H2O = HCl + HClO	Si + 2H2O(пар) = (t) SiO2 + 2H2
Br2 + H2O = HBr + HBrO	C + H2O(пар) = (t) CO + H2
I2 + H2O = HI + HIO	4P + 6H2O = PH3 + 3H3PO4
H2O + H2, S, N2, O2 = не взаимодействует
3.Взаимодействие с оксидами (Реакция возможна только если образуется растворимый гидроксид)
Основные Na2O + H2O = 2NaOH CaO + H2O = Ca(OH)2
Кислотные SO3 + H2O = H2SO4 P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
Амфотерные Al2O3 + H2O = не взаимодействует
4. Гидролиз — Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S
5. Разложение воды — 2H2O = (эл.ток) 2H2 + O2
7. С органическими веществами вода вступает в реакции присоединения — гидратации!
8. Гидратация ионов. Ионы, образующиеся при диссоциации электролитов в водных растворах, присоединяют определенное число молекул воды и существуют в виде гидратированных ионов. Некоторые ионы образуют столь прочные связи с молекулами воды, что их гидраты могут существовать не только в растворе, но и в твердом состоянии. Этим объясняется образование кристаллогидратов типа CuSO4 • 5H2O, FeSO4• 7Н2O

Способы получения

Воду можно получать следующими способами:

• В ходе реакций — разложения пероксида водорода

${\mathsf {2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}\uparrow }}$

• В ходе реакций ионного обмена между солями и кислотой

${\mathsf {NaHCO_{3}+CH_{3}COOH\rightarrow CH_{3}COONa+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}$

${\mathsf {2CH_{3}COOH+CaCO_{3}\rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}$

• В ходе реакций нейтрализации между щелочью и кислотой

${\mathsf {H_{2}SO_{4}+2KOH\rightarrow K_{2}SO_{4}+2H_{2}O}}$

${\mathsf {HNO_{3}+NH_{4}OH\rightarrow NH_{4}NO_{3}+H_{2}O}}$

${\mathsf {2CH_{3}COOH+Ba(OH)_{2}\rightarrow Ba(CH_{3}COO)_{2}+2H_{2}O}}$

• Восстановлением водородом оксидов металлов

${\mathsf {CuO+H_{2}\rightarrow Cu+H_{2}O}}$

Применение

Вода — обязательный компонент питания человека

Роль воды в нынешней науке и технике очень велика. Вот только часть областей применения воды.

1. В сельском хозяйстве для полива растений и питания животных.

2. В химической промышленности для получения кислот, оснований, органических веществ.

3. В технике для охлаждения, в паровых двигателях.

4. В металлургии для выплавки металлов.

5. В медицине для приготовления лекарств.

В термоядерных реакторах для задержки нейтронов применяется тяжелая или сверхтяжелая вода (D₂O, T₂O соответственно; D — дейтерий, Т — тритий; это изотопы водорода).

Вода в литературе, искусстве и живописи

«Старик и море» из цикла «Восточные мотивы» 2016 год Андрей Кулагин

• 22 марта в мире отмечается Всемирный день воды;
• В художественной литературе мы встречаем произведения, связанные с водой. Поэты, писатели посвящают воде свои творения, делают воду героиней своих произведений;
• Вода часто олицетворяет человеческое начало: матушка, водица, реченька, студеная, ключевая — это все вода. Ей придаются сказочные, волшебные свойства. Герои в сказках выпивают водицы из лужи и перевоплощаются в животных;
• Мартынов Леонид «Вода»
• Эрнест Хемингуэй «Старик и море»
• Жуковский Василий «Море»
• Пушкин Александр Сергеевич «К морю»
• Некрасов Николай «На Волге»
• Жюль Верн «Двадцать тысяч лье под водой»
• Дэн Симмонс «Террор»
• Адамов Григорий «Тайна двух океанов»
• Александр Беляев «Человек-амфибия»
• Жюль Верн «Пятнадцатилетний капитан»
• Подвиги Геракла