Вода

(оксид водорода) Н2О, мол. м. 18, 016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Распространение в природе.

Вода - одно из самых распространенных на Земле соединений. Молекулы воды обнаружены в межзвездном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Кол-во воды на пов-сти Земли оценивается в 1, 39*1018 т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Кол-во доступных для использования пресных вод 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) воды, чем на пов-сти. В атмосфере находится ок. 1, 3*1013 т воды. 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 воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): 1Н216О - 99, 13; 1Н218О - 0, 2; 1Н2170-0, 04; 1Н2О16О-0, 03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных кол-вах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое кол-во радиоактивного 3Н2 (или Т2О). Изотопный состав природной воды разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1Н/2Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде - 5500, во льдах - 5500-9000. По физ. свойствам D2O заметно отличается от обычной воде (см. Тяжелая вода). Вода, содержащая 18О, по св-вам ближе к воде с 16О.

Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О—Н 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 взаимод. молекулы воды с др. атомами, молекулами и ионами, в т.ч. с другими молекулами воды в конденсир. фазах, эти параметры изменяются.

Нек-рые параметры, характеризующие св-ва воды в разных агрегатных состояниях при атм. давлении, приведены ниже (см. также табл. 1 и рис. 1, на к-ром указаны области существования разл. модификаций льда):

Физ. свойства воды аномальны. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при т-pax соотв. ниже - 210°С и 3, 98 °С. Теплоемкость С° при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале 0-100°С почти не зависит от т-ры (имеется минимум при 35 °С). Минимум изо-термич. сжимаемости (44, 9*10-11 Па-1), наблюдаемый при 46°С, выражен довольно четко. При низких давлениях и т-рах до 30 °С вязкость воды с ростом давления падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и диполъный момент воды определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным в-вам. Благодаря высоким значениям С°, ивода-важный регулятор климатич. условий на земле, стабилизирующий т-ру на ее пов-сти. Кроме того, близость угла Н—О—Н к тетраэдрическому (109° 28') обусловливает рыхлость структур льда и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от т-ры. Поэтому не промерзают до дна крупные водоемы, что делает возможным существование в них жизни.

Табл. 1 - СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА, НАХОДЯЩИХСЯ В РАВНОВЕСИИ

Рис. 1. Фазовая диаграмма воды.

Взаимодействие между молекулами воды. Структура конденсированных фаз. Молекулы воды, обладая значит. ди-польным моментом, сильно взаимод. друг с другом и полярными молекулами др. в-в. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, Cl, S и др. В водяном паре при невысоких т-рах и умеренных давлениях присутствует небольшое кол-во (ок. 1% при т-ре кипения и атм. давлении) димеров воды (для них ~ 15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода~ 0, 3 нм. В конденсиров. фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две - как донор протонов и две - как акцептор протонов. Средняя длина этих связей в кристаллич. модификациях льда и кристаллогидратах ок. 0, 28 нм. Угол О—Н...О стремится к 180°. Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2).

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, к-рой 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 вжелезе 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, к-рые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних атомов кислорода в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой воды). 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 воде во всем интервале от т-ры 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 т-ры 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 воды при 3, 98 °С.

Химические свойства.

Лишь незначит. доля молекул (при 25°С - примерно 1 на 5*109) подвергается электролитич. диссоциации по схеме: Н2ОН+ + ОН-. Протон Н + в водной среде, взаимодействуя с молекулами воды, образует Н3О+ , объединяющийся с 1 молекулой Н2О в H5O2+. Расстояние О...О в таких комплексах заметно короче длины нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но поскольку протон, по-видимому, находится не точно посредине этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония Н3О+ . Это явление играет большую роль в хим. процессах, происходящих в разл. системах, в т. ч. биологических. В частности, диссоциация воды - причина гидролиза солей слабых к-т и (или) оснований. Концентрация ионов Н+ и связанная с ней концентрация ионов ОН- - важные характеристики водных р-ров (см. Водородный показатель). Степень электролитич. диссоциации воды заметно возрастает при повышении т-ры.

Образование воды из элементов по р-ции Н2 + 1/2O2Н2O (Hoобр - 242 кДж/моль для пара и - 286 кДж/моль для жидкой воде) при низких т-рах в отсутствие катализаторов происходит крайне медленно, но скорость р-ции резко возрастает при повышении т-ры, и при 550 °С она происходит со взрывом. При снижении давления и возрастании т-ры равновесие сдвигается влево. Степень термич. диссоциации воды (%) при 100 кПа: 0, 034 (1015°С), 0, 74 (1711 °С), 8, 6 (2215°С) и 11, 1 (2483°С). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н+ и ОН-. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2, Н2О2 и своб. радикалов; радиац. выход - примерно 4 распавшиеся молекулы на каждые 1, 6*10-17 Дж поглощенной энергии излучения.

Вода - реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: Н2О + О - > Н2О2. При взаимод. воды с F2 образуются HF, а также О, О2, О3, Н2О2, F2O и др. соединения. С остальными галогенами при низких т-рах вода реагирует с образованием смеси к-т HHal и ННаlO. При обычных условиях с водой взаимод. до половины растворенного в ней С12 и значительно меньшие кол-ва Вr2 и 12. При повыш. т-рах хлор и бром разлагают воду с образованием HHal и О2. При пропускании паров воды через раскаленный уголь она разлагается и образуется т. наз. водяной газ: Н2О + ССО + Н2. При повыш. т-ре в присут. катализатора вода реагирует с СО, СН4 и др. углеводородами, напр.: Н2О + СОСО2 + Н2 (кат. Fe); Н2О + СН4СО + ЗН2 (кат. Ni или Со). Эти р-ции используют для пром. получения Н2. Перспективны для его произ-ва также термохим. способы разложения воды (см. Водород, Водородная энергетика). Фосфор при нагр. с водой под давлением в присут. катализатора окисляется в метафосфорную к-ту: 6Н2О + ЗР - > 2НРО3 + 5Н2. Вода взаимод. со мн. металлами с образованием Н2 и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щел.-зем. металлами (кроме Mg) эта р-ция протекает уже при комнатной т-ре. Менее активные металлы разлагают воду при повыш. т-ре, напр. Mg и Zn-выше 100°С, Fe - выше 600°С (2Fe + ЗН2О - > Fe2O3 + 3H2). При взаимод. с воды многих оксидов образуются к-ты или основания. Вода может служить катализатором, напр. щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присут. следов воды Иногда вода - каталитич. яд, напр. для железного катализатора при синтезе NH3.

Способность молекул воды образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО2, С12, (СН2)2О, СНС13 и многими др. в-вами т. наз. газовые гидраты.

Вода как растворитель.

Вода хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на ионы в-ва. Обычно р-римость возрастает с увеличением т-ры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, р-римость мн. сульфатов, карбонатов и фосфатов при повышении т-ры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Р-римость малополярных в-в (в т. ч. газов, входящих в состав атмосферы) в воде низкая и при повышении т-ры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления р-римость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум. Многие в-ва, растворяясь в воде, реагируют с ней. Напр., в р-рах NH3 могут присутствовать ионы NH4 (см. также Гидролиз). Между растворенными в воде ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в хим. р-ции, и молекулами воды существуют не разрушающие их ион-дипольные и межмол. взаимодействия (см. Гидратация).

Природная вода.

Представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав к-рой входят минер. в-ва, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в т. ч. микроорганизмы. По величине минерализации (г/л) различают след. природные воды: 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 природной воды обычно являются Са, Mg, Na, К, Fe (катионогенные воды), Si, С, S, C1 (анионогенные воды). К микрокомпонентам природной воды относятся редкие и рудные элементы, напр. В, Li, Rb, Cu, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I и др.

Осн. газы, содержащиеся в прир. воде, - СО2, N2 (характерны как для поверхностных, так и для глубинных условий), СН4, СО, Н2 (более типичны для подземных водах и для воды вулканич. активных областей). Растворенные в воде компоненты находятся в равновесии, образуя комплексы разл. состава. Данные о составе нек-рых природной воды приведены в табл. 2.

Табл. 2-СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД

Питьевая вода. Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой воды должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) - не более 3. Концентрация хим. в-в, к-рые встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке (см. Водоподготовка), не должна превышать (мг/л):

Содержание примесей, к-рые влияют на органолептические св-ва воды и встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке, не должно превышать (мг/л):

Общая жесткость питьевой воды должна быть не выше 7, 0 ммоль/л, сухой остаток - 1000 мг/л, рН - от 6, 0 до 9, 0. Для питьевой воды, 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. Воду, расходуемую пром. предприятиями, принято наз. технической. Ее применяют гл. обр. в кач-ве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов (напр., гидротранспорт золы на тепловых электростанциях), р-рителя и др. В целом по всем отраслям пром-сти 70-75% от общего расхода воды применяют как хладагент по циркуляц. схеме. В этом случае вода лишь нагревается и практически не загрязняется. Главные источники загрязнения охлаждающей воды систем циркуляц. водоснабжения - вода, добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атм. воздух, из к-poro вымываются в охладителях воды взвешенные в-ва и газы, р-римые в воде.

Осн. ионами, к-рые могут приводить к отложениям минер, солей в системах циркуляц. водоснабжения, являются анионы НСО3-, CO32-, ОН-, SOl42-, PO43-, SiO32-, а также катионы Са2+, Mg2+ , Fe2+, 3+ , A13+ , Zn2+ . Наиб. часто встречающийся компонент солевых отложений - СаСО3 (см. Жесткость воды). Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды H2SO4 или НС1, ее рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими СО2), действием полифосфатов (NaPO3)6 и Na5P3O10, орг. фосфатов и др. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воде добавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями воды в основном хлорируют (содержание С12 до 5 мг/л), а иногда озонируют.

Лечебные воды. В кач-ве лечебных применяют природной воде, содержащие значит. кол-во минер, солей, газы, нек-рые элементы и др. (подробнее см. Минеральные воды).

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.