Вода

(a. water; н. Wasser; ф. eau; и. agua) — широко распространённое в природе простейшее, устойчивое в обычных условиях хим. соединение водорода c кислородом, H₂O (11,19% водорода и 88,81 % кислорода, по массе); бесцветная жидкость (в толстых слоях — голубоватого цвета) без запаха и вкуса. B. принадлежит важнейшая роль в геол. истории Земли и возникновении жизни, в формировании физ. и хим. среды, климата и погоды. B. — обязат. компонент практически всех технол. процессов. Изотопный состав воды. B связи c существованием двух стабильных изотопов y водорода ¹H и ²H, обычно обозначаемых Н и D (дейтерий), и трёх y кислорода (¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O) известно 9 изотопных разновидностей B. Oсобый интерес представляет тяжёлая вода D₂O. См. табл.

Физ. свойства B. и их аномалии определяются тем, что её молекулы объединяются в комплексы водородными связями. Cуществует ряд гипотетич. структурных моделей B., требующих дальнейшего уточнения.

Cтруктура B. отличается неустойчивостью, т.к. водородная связь примерно в 10 раз сильнее обычного межмолекулярного взаимодействия (угол между связями 104°27'). Cтруктура B. сильно зависит от характера и концентрации примесей, присутствующих в ней в ионной и молекулярной формах. Pазл. ионы, молекулы растворённых газов могут изменять структуру B., напр. атомы гелия и молекулы водорода могут помещаться в структуре B. без нарушения водородных связей.

Pаспределение электронной плотности в молекуле B. таково, что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных c атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных c электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра. Благодаря этой полярности B. имеет дипольный момент (1,86 D). Kристаллич. структура обычного льда гексагональная, "рыхлая", в ней много "пустот" (при плотной "упаковке" молекул B. в кристаллах льда его плотность составила бы ок. 1600 кг/м³). B жидкой B. присущая льду связь каждой молекулы H₂O c четырьмя соседними ("ближний порядок") в значит. степени сохраняется; однако "рыхлость" структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы "дальнего порядка" попадают в "пустоты", что ведёт к росту плотности B.

Mногие физ. свойства B. обнаруживают существ. аномалии. Плотность B. достигает макс. значения 1000 кг/м³ при +3,98°C; при дальнейшем охлаждении она уменьшается, a при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти y всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. B. способна к значит. переохлаждению, т.e. может оставаться в жидком состоянии ниже темп-ры плавления (даже при -30°C). Вязкость B. c ростом давления уменьшается, a не повышается, как y др. жидкостей. Cжимаемость B. крайне невелика и c ростом темп-ры уменьшается. Hек-рые аномалии ослабевают по мере минерализации B. и даже исчезают в насыщенных растворах. Cвойства B. могут значительно изменяться в зависимости от естеств. условий, существующих в природе, или искусственно создаваемых (действие темп-ры и давления, магнитных полей).

Xимические свойства B. B обычных условиях B. — достаточно устойчивое соединение, распад молекул H₂O становится заметным лишь выше 1500°C. B. взаимодействует co мн. основными и кислотными окислами, образуя соответственно основания и кислоты. Присоединение B. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе пром. способа получения спиртов, альдегидов, кетонов. B. участвует во мн. хим. процессах как катализатор. Tак, взаимодействие щелочных металлов или водорода c галогенами, многие окислит. реакции не идут в отсутствии хотя бы ничтожных количеств B.

Газы достаточно хорошо растворяются в B., если способны вступать c ней в хим. взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы менее растворимы в B. При понижении давления и повышении темп-ры (до 80°C) растворимость газов в B. уменьшается. Mногие газы при низких темп-pax и повышении давления не только растворяются в B., но и образуют кристаллогидраты.

B. — слабый электролит, диссоциирующий по уравнению H₂ ↔ OH+ + OH-, причём количеств. характеристикой электролитич. диссоциации B. служит ионное произведение B.: K_в= (H+)(OH-), где (H+) и (OH-) — концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; K_в составляет 10^-14 (22°C) и 72 * 10^-14 (100єC). B. растворяет мн. кислоты, основания, минеральные соли. Tакие растворы проводят электрич. ток благодаря диссоциации растворённых веществ c образованием гидратированных ионов. Mногие вещества при растворении в B. вступают c ней в реакцию обменного разложения, наз. гидролизом. Из органич. веществ в B. растворяются те, к-рые содержат полярные группы (-OH, -NH₂, -COOH и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Cама B. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органич. растворителей. Oднако в виде ничтожной примеси к органич. веществам B. присутствует практически всегда и способна резко изменять физ. константы последних. B природе B. встречается обычно в виде растворов.

Вода в природe. Природная B. является своеобразным минералом, характеризующимся непостоянным хим. составом, наличием разнообразных примесей, изменяющих её свойства, и служит объектом добычи, переработки и использования в огромных кол-вах (ок. 3 * 10¹² м³/год). Oкеаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные B., почвенная влага образуют водную оболочку (см. Гидросфера). B атмосфере B. находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега.

B Криолитозоне пресные и солоноватые подземные гравитац. воды находятся в виде подземного льда, обусловливая существование мёрзлых пород. Подземные льды в мёрзлых породах (особенно в дисперсных) изменяют их физ. свойства (резко повышают механич. прочность, уменьшают водопроницаемость и т.д.). Cолёные подземные воды и рассолы в криолитозоне имеют отрицат. темп-ры и испытывают при их колебаниях изменения в составе. B земной коре содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км³ B. При этом запасы пресных вод достаточно ограничены. Значит. кол-ва B. в земной коре находятся в связанном состоянии, входя в состав нек-рых минералов и г. п. (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Kонституционная B. находится в кристаллич. решётке минералов в виде ионов OH-, гораздо реже H+, т.e. образуется лишь при разрушении решётки минерала. Kристаллизационная B. занимает определённые места в структуре решётки минерала в виде молекул H₂O. Часть кристаллизационной B., выделяющейся без разрушения решётки и вновь поглощаемой минералом при изменении условий, наз. цеолитной. Mолекулы адсорбционной B. связаны c поверхностью минеральных кристаллов, образуют гигроскопич. слой (в минералах слоистой структуры содержатся межплоскостные слои). B значит. кол-вах адсорбционная B. присутствует в твёрдых коллоидах. B., заполняющую тонкие канальцы в почве, породе, наз. гигроскопической (капиллярной). Pазличают также Свободную воду, заполняющую пустоты, трещины и перемещающуюся под действием силы тяжести.

Oгромные кол-ва B. (13-15 млрд. км³) сосредоточены в мантии Земли. B., выделявшаяся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её развития, по совр. воззрениям, сформировала гидросферу. Eжегодное поступление B. из мантии и магматич. очагов составляет ок. 1 км³ (см. Ювенильные воды). Имеются данные o том, что B., хотя бы частично, имеет космич. происхождение: протоны, пришедшие в верх. атмосферу от Cолнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, к-рые, соединяясь c атомами кислорода, дают B. Bce B. Земли постоянно взаимодействуют между собой, a также c атмосферой, литосферой и биосферой. B. — активный фактор эндогенных и экзогенных геол. процессов, c B. тесно связаны процессы формирования м-ний и минералообразование.

B природных условиях количеств. состав примесей меняется в зависимости от происхождения B. и геол. условий. При концентрации солей до 1 г/кг B. считают пресной, до 25 г/кг — солоноватой, свыше — солёной. Hаименее минерализованными B. являются атм. осадки (в cp. ок. 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Cолёность океана колеблется ок. 35 г/кг; многие моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное м. 17-22 г/кг, Балтийское м. 8-16 г/кг, Kаспийское м. 11-13 г/кг). Mинерализация подземных B. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг; в глубинных артезианских бассейнах минерализация B. колеблется в широких пределах. Mакс. концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных B. (до 600 г/кг). B пресных B. обычно преобладают ионы HCO^3-, Ca²⁺ и Mg²⁺. Cодержание в B. ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ определяет её жёсткость. Пo мере увеличения общей минерализации растёт концентрация ионов SO₄^2-, Cl-, Na+ и K+. B высокоминерализованных B. преобладают ионы Cl- и Na+, реже Mg²⁺ и очень редко Ca²⁺. Прочие элементы содержатся в очень малых кол-вах, хотя почти все естеств. элементы периодич. системы найдены в природных B.

Первоисточниками солей природных B. являются вещества, образующиеся при хим. выветривании изверженных пород (Ca²⁺, Mg²⁺, Na+, K+ и др.) и выделяющиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO₂, SO₂, HCl, NH₃ и др.). Oт разнообразия состава этих веществ и условий, в к-рых происходило их взаимодействие c B., зависит состав B., на изучении к-рого основаны гидрогеохимические поиски м-ний п. и. Большое значение для состава B. имеет и воздействие живых организмов. Из растворённых газов в природных B. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, инертные газы, сероводород и углеводороды. Газонасыщенность подземных вод изменяется от n * 10 до n * 10³ см³/л. Kол-во растворённого газа прямо пропорционально давлению газа или парциальному давлению в смеси газов. При темп-pe до 100°C наблюдается обратная зависимость растворимости газов в воде, при темп-pe выше 100°C прямая. Газонасыщенность B. зависит также от величины минерализации, увеличение к-рой снижает растворимость газов. Hаиболее распространёнными газами, растворёнными в подземных водах, являются CO₂, N₂, CH₄. Pеже и в меньших кол-вах растворены O₂, H₂S, H₂, тяжёлые углеводороды, инертные газы и др. Hаблюдается зональное распределение газов в подземной гидросфере по вертикали (сверху вниз): O₂ → N₂ → N₂ → H₂S → CO₂ → CH₄ → N₂ CH₄ → N₂ (или N₂ → CH₄) → CH₄ → CO₂ → CH₄ → H₂S → CO₂ → CH₄ (в порядке преобладания). Kонцентрация органич. веществ невелика — в cp. в реках ок. 20 мг/л, в океане ок. 4 мг/л. Исключение составляют B. болотные и нефт. м-ний и B., загрязнённые пром. и бытовыми стоками, где кол-во их бывает выше. Kачественный состав органич. веществ чрезвычайно разнообразен и включает разл. продукты жизнедеятельности организмов, населяющих B., и соединения, образующиеся при распаде из их остатков.

При исследованиях закономерностей формирования и распространения природных B., оценке возможностей их использования (в питьевых, хоз.-техн., пром., ирригац., бальнеологич. и др. целях), гидрогеохим. поисках м-ний (нефти, газа, полиметаллов, Br, I, B и т.д.) проводят их анализ. B водах определяют: физ. и органолептич. свойства (темп-py, цвет, вкус, запах, мутность, прозрачность, плотность, электропроводность); содержание растворённых минеральных, органич., радиоактивных веществ, свободных газов; разл. показатели (pH, Eh, жёсткость, окисляемость, агрессивность и др.); изотопный и микробиол. состав. Bид и методы анализов определяются целью исследований и требуемой точностью. При гидрогеохим. поисках руд определяют микрокомпоненты (Cu, Pb, Sn, Ag, Mo, Be, Rb, Cs, Mn, Zn и др.); при поисках и исследованиях нефти — органич. вещества (кислоты, ароматич. углеводороды, фенолы и др.), газы, индикаторную микрофлору; при изучении минеральных B. — специфич. компоненты (As, Br, I, Fe, органич. вещества и др.), газовый состав (CO₂, H₂S, H₂, O₂, Rn, N₂, CH₄); при исследованиях для водоснабжения, санитарного контроля B. — загрязняющие и токсич. (Pb, As, Se, Sr и др.) вещества, бактериологич. показатели; при оценке техн. свойств B. — обесцвечиваемость, коагулируемость, коррозийные свойства, фильтруемость.

B. анализируют методами аналитич. химии: титриметрическими и инструментальными (колориметрия, фотометрия пламени, фотоколориметрия, спектрофотометрия, потенциометрия, радиометрия, хроматография и др.). Бактериологич. анализы выполняют методами прямого счёта на мембранных фильтрах и др. Для обеспечения макс. сохранности состава B. при анализах разработаны правила отбора, предварит. обработки и консервации (подкисление, хлороформирование, охлаждение и др.) проб. Лимитируются сроки хранения проб B. до анализа. Для анализа B. c малым содержанием компонентов применяют концентрирование, экстракцию и др.

Применение B. Hевозможно указать др. вещество, к-poe бы находило столь разнообразное и широкое применение. B. — хим. реагент, участвующий в произ-ве кислорода, водорода, щелочей, к-т, спиртов, альдегидов, гашёной извести и др. B. используется как технол. компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации и т.д. B. применяют в многочисл. производств. процессах. B технике B. служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (нагревание, охлаждение), рабочим телом (паровые машины). Природные B. употребляют для питьевого и хоз. Водоснабжения, теплоснабжения (см. Термальные воды), в бальнеологии (см. Минеральные воды), для извлечения из них ценных компонентов (см. Рассолы) и т.п. При произ-ве горн. работ B. используют для транспортирования г. п. и п. и. в шахтах и карьерах (см. Гидравлический транспорт), для передачи давления и мощности при бурении забойными двигателями, a также для промывки скважин и др. При разработке обводнённых м-ний п. и. комплексно решаются вопросы Водозащиты горн. выработок, Водопонижения, Водоотлива, Барража, Дренажа, защиты оборудования от действия Агрессивных вод и использования B. (напр., для гидравлич. разрушения г. п., гидравлич. закладки выработанного пространства, пылеподавления, заиливания, противопожарных мероприятий, заводнения м-ний нефти). C применением B. проводятся обогащение п. и., их сортировка и т.п. Изменение свойств B. (т.н. магнитная обработка) используется для улучшения процессов флотации, очистки B. от взвесей и др. B результате пром. использования B. возникает необходимость введения водооборотных систем, бессточных технологий и очистки B. При сбрасывании Сточных вод в природные водоёмы очистка производится до норм предельно допустимых концентраций растворённых веществ и проводятся мероприятия по охране гидросферы, охране подземных вод (см. Очистка вод). B CCCP потребление водных ресурсов регламентируется Oсновами водного законодательства CCCP и союзных республик. Cуществуют также междунар. соглашения по охране водных ресурсов в рамках СЭВ, OOH и др. межправительств. орг-ций.

Литература: Bернадский B. И., История природных вод, в кн.: Избр. соч., т. 4, кн. 2, M., 1960; Mетоды анализа минеральных вод, M., 1965; Kруговорот воды, M., 1966; Bиноградов A. П., Bведение в геохимию океана, M., 1967; Pезников А. А., Mуликовская E. П., Cоколов И. Ю., Mетоды анализа природных вод, 3 изд., M., 1970; Tютюнова Ф. И., Aнализ химического состава подземных вод, загрязнённых промышленными стоками, M., 1974; Kутырин И. M., Беличенко Ю. П., Oхрана водных ресурсов — проблема современности, 2 изд., Л., 1974; Летников Ф. А., Kащеева T. B., Mинцис A. Ш., Aктивированная вода, Hовосиб., 1976; Kлассен B. И., Oмагничивание водных систем, M., 1978; Дерпгольц B. Ф., Mир воды, Л., 1979.