Свойства воды

Свойства воды

Уникальной особенностью Земли является наличие на ней гидросферы, или водной оболочки. К ней относятся ледники, океаны, моря, реки, озера, почвенная влага, подземные воды и водохранилища. В целом объем гидросферы составляет около 1,5 млрд. км³. В атмосфере, окружающей Землю, вода содержится в виде облаков, тумана, пара, кристаллов снега и капель дождя. Гидросфера находится в тесном взаимодействии с биосферой, атмосферой и литосферой.

Ученые в результате многочисленных научных экспериментов доказали, что именно воде принадлежит ведущая роль в эволюции геологических процессов и зарождении жизни на планете. Огромное количество воды в связанном состоянии присутствует в недрах Земли, в частности в некоторых минералах и горных породах. Основные ее запасы сосредоточены в мантии земной коры – около 15 млрд. км³. Согласно современным научным представлениям вода, вышедшая из глубоких слоев земли, дала начало гидросфере планеты. Процесс выхода ее из мантии и магмы осуществляется и в наше время и составляет приблизительно 1 км³ в год. Ученые высказывают также предположение о космическом происхождении воды: протоны солнечной энергии, достигнув атмосферы Земли, соединяются с электронами и трансформируются в атомы водорода, которые, вступая в реакцию с атомами кислорода, создают простейшую химическую формулу воды – H₂O.

В настоящее время нет никаких сомнений в определяющем влиянии воды на формирование климата, погоды, физической и химической среды Земли, а существование живых организмов на нашей планете просто невозможно без этой жидкости. Содержание H₂O в них колеблется от 60 до 99 % массы тела. Данный факт позволяет ученым утверждать, что всякий живой организм на Земле – это одушевленная или одухотворенная вода. В организме человека она регулирует температуру тела, обмен веществ и выведение образовавшихся в результате этого продуктов. Вода в свободном состоянии содержится в жидких средах нашего организма – крови, лимфе, пищеварительных соках и межклеточном пространстве. В тканях она присутствует в связанном виде, поэтому при повреждении или рассечении органа не выводится. Она может связываться с белком и другими органическими соединениями. Молекулы воды, содержащиеся внутри клеток, легко включаются в общий круговорот воды в организме. Она является основной средой организма человека, в которой осуществляются все виды обмена веществ и протекают ферментативные биохимические реакции. В процессе фотосинтеза вода и углекислый газ, синтезируя образование органических веществ, становятся основой создания живой материи на нашей планете.

Вода (окись водорода, H₂O) – соединение водорода с кислородом, устойчивое в обычных условиях. Эта жидкость не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом. Голубоватый цвет она имеет только в слоях большой толщины, например в океанах и морях. Молекулярная масса воды (18,016 а. е. м.) распределяется следующим образом: водород – 11,19 %, кислород – 88,81 %.

Свойства воды определяются особенностями ее строения. Ее молекула имеет 3 ядра, составляющие равнобедренный треугольник. В его основании находятся протоны водорода, а на вершине – атом кислорода.

Электроны в молекуле воды располагаются таким образом, что образуют по 2 парных полюса противоположных зарядов: атомы водорода создают 2 положительных полюса, а атомы кислорода – 2 отрицательных.

Высокая полярность молекулы воды позволяет атомам кислорода притягивать атомы водорода соседних молекул и образовывать по 4 водородные связи, что четко прослеживается в кристаллах льда. Структура последних имеет гексагональную решетку, в которой находится множество пустот.

При плавлении льда соседние молекулы H₂O заполняют пустоты, что приводит к повышению плотности.

Дальнейшее нагревание усиливает движение молекул. Происходит расширение пустот и уменьшение плотности. Водородные связи очень устойчивы, большинство из них разрывается при нагревании, но некоторая часть сохраняется даже при температуре кипения.

Вода в природе существует в жидком, твердом (лед) и газообразном (пар) состоянии. При переходе из твердой формы в жидкую плотность молекулы воды вопреки ожидаемому эффекту возрастает, а не уменьшается. Максимума она достигает при 4 °C, когда вес единицы объема воды превышает тот же показатель при 0 °C. При дальнейшем нагревании плотность воды уменьшается. В случае снижения температуры вода медленно опускается на дно, а на ее поверхности образуется лед. Так как его плотность ниже, он поднимается вверх, но за его нижней чертой всегда находится вода. Это ее свойство обеспечивает жизнедеятельность организмов (флоры и фауны) под слоем льда. Трудно представить, что могло бы случиться с природой, если бы вода не выполняла свою главную функцию – жизнеобеспечения.

Еще одно уникальное свойство воды – высокая теплоемкость. Она имеет наибольшую теплоемкость среди всех жидкостей. Этим объясняется медленное остывание воды в течение осени и длительное нагревание в весенний период. Данное свойство воды связано с другой ее функцией – регуляцией температуры на планете. Ученые установили, что теплоемкость этой жидкости снижается при нагревании от 0 до 37 °C, а далее этот параметр, напротив, возрастает. Следовательно, самая оптимальная температура, при которой вода быстро нагревается и охлаждается, составляет 37 °C, что почти соответствует нормальной температуре тела человека. Объяснения данному факту пока нет, но связь с терморегуляцией человеческого организма очевидна. Предполагается, что в этом состоит защитная функция воды, которая направлена на устранение воздействия высокой температуры.

Длительное время ученые воспринимали воду в качестве самостоятельного химического элемента. Только в конце XVIII века она была синтезирована англичанином Г. Кавендишем. Впоследствии его гипотезу о соединении водорода и кислорода подтвердил французский ученый А. Лавуазье.

Вода считается универсальным растворителем. Двуокись углерода, сероводород, сернистый газ и аммиак хорошо растворяются в ней, все остальные газы – только в том случае, если способны вступать с ней в биохимическую реакцию. Некоторые газы, взаи модействуя с водой, образуют кристаллогидраты – многочисленные соединения. К ним относятся сероводород, хлор, пропан, аргон, ксенон и др. Более сложные группы возникают при взаимодействии ее с различными кислотами, основаниями и солями, которые изменяют структуру жидкости. Например, морская вода содержит почти все элементы периодической системы Менделеева.

При растворении в воде некоторых веществ возникает реакция гидролиза (обменного разложения) – химический процесс, характеризующийся образованием двух или более веществ. Это можно наблюдать, например, при взаимодействии с хлором (при отбеливании или намыливании), производстве этилового спирта из древесины и др. Обычно в воде растворяются вещества, имеющую небольшую молекулярную массу. Она почти всегда входит в состав органических веществ и в значительной степени изменяет их физические свойства. От способности воды растворять соединения зависит степень ее чистоты. Так как в ней обычно присутствуют многочисленные соли, чистой воды в природе не существует. Установлено, что у дистиллированной воды, полученной в процессе перегонки, электропроводность в 100 раз больше, чем у чистой. Последнюю синтезируют из очищенных кислорода и водорода в лабораторных условиях.

Воде свойственна жесткость, обусловленная содержанием в ней солей кальция и магния. Нагревание такой жидкости сопровождается выпадением специфического осадка. Ее обычно смягчают в процессе кипячения или путем добавления реагентов. Дождевая вода считается самой мягкой.

Из негативных свойств воды известно одно – она непременно вызывает коррозию при взаимодействии с металлами.