вода
ВОДА (оксид водорода) H2O
мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.
Распространение в природе. В. — одно из самых распространенных на Земле соединений. Молекулы В. обнаружены в межзвездном пространстве. В. входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Количество В. на поверхности Земли оценивается в 1,39∙1018 т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Количество доступных для использования пресных В. в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2∙104 т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4∙1016т, примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть — пресные. В глубинных слоях Земли содержится значительно больше (повидимому, не менее, чем на порядок) В., чем на поверхности. В атмосфере находится ок. 1,3∙1013 т В. Вода входит в состав мн. минералов и горных пород (глины, гипс и др.), присутствует в почве, является обязат. компонентом всех живых организмов.
Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей В. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): 1H216O — 99,13; 1H218O — 0,2; 1H2170-0,04; 1H2O16O-0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в В. в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в В. содержится небольшое количество радиоактивного 3H2 (или Т2O). Изотопный состав прир. В. разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1Н/2Н: в пресных В. — в среднем 6900, в морской В.-5500, во льдах — 5500–9000. По физ. свойствам D2O заметно отличается от обычной В. (см. тяжёлая вода). В., содержащая 18O, по свойствам ближе к В. с 16O.
Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле В. расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи O—H 0,0957 нм; валентный угол Н—О—Н 104,5°; дипольный момент 6,17∙10−30 Кл∙м; поляризуемость молекулы 1,45∙10−3 нм3; средний квадрупольный момент — 1,87∙10−41 Кл∙м2, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ. При взаимодействии молекулы В. с др. атомами, молекулами и ионами, в т. ч. с другими молекулами В. в конденсир. фазах, эти параметры изменяются.
Некоторые параметры, характеризующие свойства В. в разных агрегатных состояниях при атм. давлении, приведены ниже (см. также табл. 1 и рис. 1, на котором указаны области существования разл. модификаций льда):
Физ. свойства В. аномальны. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соотв. ниже −210 °C и 3,98 °C. Теплоемкость C0 при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале 0–100 °C почти не зависит от температуры (имеется минимум при 35 °C). Минимум изо-термич. сжимаемости (44,9∙10−11 Па−1), наблюдаемый при 46 °C, выражен довольно четко. При низких давлениях и температурах до 30 °C вязкость В. с ростом давления падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и дипольный момент В. определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Благодаря высоким значениям С°,
Табл. 1 — СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА, НАХОДЯЩИХСЯ В РАВНОВЕСИИ
Рис. 1. Фазовая диаграмма воды.
Взаимодействие между молекулами воды. Структура конденсированных фаз. Молекулы В., обладая значит. ди-польным моментом, сильно взаимод. друг с другом и полярными молекулами др. веществ. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, Cl, S и др. В водяном паре при невысоких температурах и умеренных давлениях присутствует небольшое количество (ок. 1% при температуре кипения и атм. давлении) димеров В. (для них ~ 15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода
Структура модификаций льда представляет собой трехмерную сетку. В плотных модификациях VI-VIII, устойчивых при высоких давлениях, можно даже выделить две такие сетки, "вставленные" одна в другую. В модификациях, существующих при низких давлениях (льды Ih и Iс), связи Н—О—Н почти прямолинейны и направлены к вершинам практически правильного тетраэдра. В модификациях II-VI связи искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда.
Рис. 2. Схема тетраэдрич. координации молекулы воды; сплошные линии — ковалентные связи; пунктирные линии — водородные связи.
Но плотность модификаций II-VI значительно ниже той, которой мог бы обладать лёд при плотной упаковке молекул. Только в модификациях VII и VIII достигается достаточно высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, построенные из тетраэдров (аналогичные существующим в кубич. низкотемпературном льде Iс, изоструктурном алмазу), вставлены одна в другую; при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей, а координац. число по кислороду удваивается и достигает 8. Расположение атомов кислорода во льдах VII и VIII подобно расположению атомов в α-железе и многих др. металлах. В обычном (Ih) и кубическом (Iс) льдах, а также во льдах HI, V-VII ориентация молекул не определена: оба ближайших к атому О протона образуют с ним ковалентные связи, которые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних атомов кислорода в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой В.). Модификации II, VIII и IX ориентационно упорядочены; их диэлектрич. проницаемость низка (ок. 3). Лед VIII представляет собой упорядоченный по размещению протонов вариант льда VII, а лед IX — льда III. Плотности ориентационно упорядоченных модификаций (VIII, IX) близки к плотностям соответствующих неупорядоченных (VII, III).
Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой В. во всем интервале от температуры плавления до критической. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с ростом температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. С др. стороны, при нагр. средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности В. при 3,98 °C.
Химические свойства. Лишь незначит. доля молекул (при 25 °C — примерно 1 на 5∙109) подвергается электролитич. диссоциации по схеме: H2O
Образование В. из элементов по реакции H2 + 1/2O2
В. — реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: H2O + О → H2O2. При взаимодействии В. с F2 образуются HF, а также О, O2, O3, H2O2, F2O и др. соединения. С остальными галогенами при низких температурах В. реагирует с образованием смеси кислот HHal и НHalO. При обычных условиях с В. взаимод. до половины растворенного в ней Cl2 и значительно меньшие количества Br2 и 12. При повыш. температурах хлор и бром разлагают В. с образованием HHal и O2. При пропускании паров В. через раскаленный уголь она разлагается и образуется т. наз. водяной газ: H2O + С
Способность молекул В. образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, CO2, Cl2, (CH2)2O, CHCl3 и многими др. веществами т. наз. газовые гидраты.
Вода как растворитель. В. хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на ионы вещества. Обычно растворимость возрастает с увеличением температуры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, растворимость мн. сульфатов, карбонатов и фосфатов при повышении температуры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Растворимость малополярных веществ (в т. ч. газов, входящих в состав атмосферы) в В. низкая и при повышении температуры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления растворимость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум. Многие вещества, растворяясь в В., реагируют с ней. Например, в растворах NH3 могут присутствовать ионы NH4 (см. также гидролиз). Между растворенными в В. ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в хим. реакции, и молекулами В. существуют не разрушающие их ион-дипольные и межмол. взаимодействия (см. гидратация).
Природная вода. Представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минер. вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в т. ч. микроорганизмы. По величине минерализации (г/л) различают след. природные В.: ультрапресные — до 0,2, пресные — 0,2–0,5, слабоминерализованные — 0,5–1,0, солоноватые — 1–3, соленые — 3–10, с повыш. соленостью — 10–35, переходные к рассолам — 35–50, рассолы — более 50. Макрокомпонентами прир. В. обычно являются Ca, Mg, Na, К, Fe (катионогенные В.), Si, С, S, C1 (анионогенные В.). К микрокомпонентам прир. В. относятся редкие и рудные элементы, напр. В, Li, Rb, Cu, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I и др.
Осн. газы, содержащиеся в прир. В., — CO2, N2 (характерны как для поверхностных, так и для глубинных условий), CH4, CO, H2 (более типичны для подземных В. и для В. вулканич. активных областей). Растворенные в В. компоненты находятся в равновесии, образуя комплексы разл. состава. Данные о составе некоторых прир. В. приведены в табл. 2.
Табл. 2 — СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД
Питьевая вода. Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой В. должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) — не более 3. Концентрация хим. веществ, которые встречаются в прир. В. или добавляются к В. при ее обработке (см. водоподготовка), не должна превышать (мг/л):
Содержание примесей, которые влияют на органолептич. свойства В. и встречаются в прир. В. или добавляются к В. при ее обработке, не должно превышать (мг/л):
Общая жесткость питьевой В. должна быть не выше 7,0 ммоль/л, сухой остаток — 1000 мг/л, pH — от 6,0 до 9,0. Для питьевой В., подаваемой без спец. обработки, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологич. службы допускаются след. показатели: сухой остаток — до 1500 мг/л, общая жесткость — до 10 ммоль/л, содержание железа и марганца — соотв. до 1 и до 0,5 мг/л.
Техническая вода. В., расходуемую пром. предприятиями, принято наз. технической. Ее применяют гл. обр. в качестве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов (напр., гидротранспорт золы на тепловых электростанциях), растворителя и др. В целом по всем отраслям промышленности 70–75% от общего расхода В. применяют как хладагент по циркуляц. схеме. В этом случае В. лишь нагревается и практически не загрязняется. Главные источники загрязнения охлаждающей В. систем циркуляц. водоснабжения — В., добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атм. воздух, из к-poro вымываются в охладителях В. взвешенные вещества и газы, растворимые в воде.
Осн. ионами, которые могут приводить к отложениям минер. солей в системах циркуляц. водоснабжения, являются анионы НCO3−, CO32−, OH−, SOl42−, PO43−, SiO32−, а также катионы Ca2+, Mg2+ , Fe2+,3+ , A13+ , Zn2+. Наиб. часто встречающийся компонент солевых отложений — CaCO3 (см. жесткость воды). Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды H2SO4 или HCl, ее рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими CO2), действием полифосфатов (NaPO3)6 и Na5P3O10, орг. фосфатов и др. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в В. добавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями В. в основном хлорируют (содержание Cl2 до 5 мг/л), а иногда озонируют.
Лечебные воды. В качестве лечебных применяют прир. В., содержащие значит. количество минер. солей, газы, некоторые элементы и др. (подробнее см. минеральные воды).
Лит.: Хорн Р., Морская химия, пер. с англ., М., 1972; Эйзенберг Д., Кауцман В., Структура и свойства воды, пер. с англ., Л., 1975; Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, М., 1957 Алекин О. А., Основы гидрохимии, Л., 1970; Синюков В. В., Структура одноатомных жидкостей, воды и водных растворов электролитов, М., 1976; Унифицированные методы исследования качества вод, ч. 1, кн. 2–3. Методы химического анализа вод, М., 1977; Кульский Л.А., Даль В.В., Чистая вода и перспективы ее сохранения, К., 1978; Возная Н. Ф., Химия воды и микробиология, 2 изд., М., 1979; Перельман А.И., Геохимия природных вод, М., 1982; Маленков Г. Г., в кн.: Физическая химия. [Ежегодник], М., 1984, с. 41–76.
Г. Г. Маленков, С. В. Яковлев, В. А. Гладков
Химическая энциклопедия