Вода на Земле

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

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. Является важнейшим веществом для всех живых существ на планете Земля.

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, ледники и реки на поверхности земли, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе множество органических и неорганических веществ. 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:

• Мягкая вода и жёсткая вода — по содержанию катионов кальция и магния
• По изотопам молекулы:
• Лёгкая вода (по составу почти соответствует обычной)
• Тяжёлая вода (дейтериевая)
• Сверхтяжёлая вода (тритиевая)
• Пресная вода
• Дождевая вода
• Морская вода
• Подземные воды
• Минеральная вода
• Солоноватая вода (en:Brackish water)
• Питьевая вода, Водопроводная вода
• Дистиллированная вода и деионизированная вода
• Сточные воды
• Ливневая вода или поверхностные воды
• Мёртвая вода и Живая вода — виды воды из сказок (со сказочными свойствами)
• Лёд-девять (вымышленный материал)
• Святая вода — особый вид воды согласно религиозным учениям
• Поливода
• Структурированная вода — термин, применяемый в различных неакадемических теориях.
• Талая вода

Химические названия воды

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных  корректных химических названий:

• Оксид водорода
• Гидроксид водорода
• Монооксид дигидрогена
• Гидроксильная кислота
• Оксидан
• Дигидромонооксид

Свойства

Физические свойства

Вода в нормальных атмосферных  условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные  водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами, и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии^[2]. В составе каждой молекулы Ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода^[2]. Комбинация этих связей между молекулами воды — полярной и водородной и определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования^[2]. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудносжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма^{[2][В каких пределах изменения давления корректна эта оценка?]}.

Структуры воды и льда между  собой очень похожи^[2]. В воде, как и во льду, молекулы стараются расположиться в определённом порядке — образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как у других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Вода обладает также высоким  поверхностным натяжением среди  жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая 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^[7]. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

 

Чистая  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.

Агрегатные состояния

По состоянию различают:

• Твёрдое — лёд
• Жидкое — вода
• Газообразное — водяной пар

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию» в системе СИ). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура кипения  воды растёт

При росте давления плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

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.

Чистая  вода способна как переохлаждаться не замерзая до температуры −33 °C, так и быть перегрета до +200 °C. За это её свойство она получила применение в промышленности (например в паровых турбинах).

Существует  тип воды, которая имеет плотность  на 40 % выше нормальной и закипает при температуре +300°С. Эта разновидность воды была открыта советским учёным Б. В. Дерягиным на поверхности кристаллов кварца

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), pK_a ≈ 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 фтором и межгалоидными соединениямис 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, магниемс 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

См. также: Роль воды в клетке

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.

Мировой океан содержит более 96 % земной воды, подземные воды — около 2 %, ледники — около 2 %, реки, озёра, болота — 0,02 %