Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ВО)"

Вода

Вода', окись водорода, H₂ 0, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе), молекулярная масса 18,0160; бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый цвет), В. принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. Без В. невозможно существование живых организмов. В. – обязательный компонент практически всех технологических процессов – как сельскохозяйственного, так и промышленного производства.

  В. в природе. В. широко распространена в природе. Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные В., почвенную влагу, составляет около 1,4—1,5 млрд. км³ , причём на долю В. суши приходится всего около 90 млн. км³ . Из них подземные воды составляют 60, ледники 29, озёра 0,75, почвенная влага 0,075, реки 0,0012 млн. км³ . В атмосфере В. находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13—15 тыс. км³ ). Около 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и Севере Канады – общей площадью около 16 млн. км² всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн. км³ . В земной коре – литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км³ В., что близко к содержанию её в гидросфере. В земной коре значительные количества В. находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Огромные количества В. (13—15 млрд. км³ ) сосредоточены в более глубоких недрах мантии Земли . Выход В., выделявшейся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её формирования, и дал, по современным воззрениям, начало гидросфере. Ежегодное поступление В. из мантии и магматических очагов составляет около 1 км³. Имеются данные о том, что В., хотя бы частично, имеет «космическое» происхождение: протоны, пришедшие в верхнюю атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, которые, соединяясь с атомами кислорода, дают H₂ O. В. входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше В., чем во всех реках Земли. В живых организмах количество В., за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animée (одушевлённая вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой (см. Влагооборот , Водный баланс )/

  В. в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения В. и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг В. считают пресной, до 25 г/кг   – солоноватой, свыше – солёной.

  Наименее минерализованными В. являются атмосферные осадки (в среднем около 10—20 мг/кг ), затем пресные озёра и реки (50—1000 мг/кг ). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17—22 г/кг ; Балтийское 8—16 г/кг ; Каспийское 11—13 г/кг ). Минерализация подземных В. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг , в засушливых условиях до 100 г/кг , в глубинных артезианских В. минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг ) и глубокозалегающих подземных В. (до 600 г/кг ).

  В пресных В. обычно преобладают ионы HCO₃^- , Са²⁺ и Mg²⁺ . По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO₄^2- , Cl^- , Na⁺ и К⁺ . В высо-коминерализованных В. преобладают ионы Cl^- и Na⁺ , реже Mg²⁺ и очень редко Ca²⁺ . Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных В.

  Из растворённых газов в природных В. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика – в среднем в реках около 20 мг/л , в подземных В. ещё меньше, в океане около 4 мг/л . Исключение составляют В. болотные и нефтяных месторождений и В., загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих В., и соединения, образующиеся при распаде их остатков.

  Первоисточниками солей природных В. являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca²⁺ , Mg²⁺ , Na⁺ , К⁺ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO₂ , SO₂ , HCI, NH₃ и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с В., зависит состав В. Громадное значение для состава В. имеет и воздействие живых организмов (см. также Гидрохимия ).

  Изотопный состав В. В связи с существованием двух стабильных изотопов у водорода (¹ H и ² H, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода (¹⁶ O,¹⁷ O и ¹⁸ O) известно 9 изотопных разновидностей В., которые находятся в природной В. в среднем в следующих соотношениях (в молярных %): 99,73 H₂¹⁶ O; 0,04 H₂¹⁷ O; 0,20 H₂¹⁸ O, 0,03 HD^’16 O, а также 10^-5 —10^-15 %(суммарно) HD¹⁷ O, HD¹⁸ O, D₂¹⁶ O, D₂¹⁷ O, D₂¹⁸ O. Особый интерес представляет тяжёлая вода D₂ O, содержащая дейтерий . В В. Земли находится всего13—20 кг «сверхтяжёлой» В.. содержащей радиоактивный изотоп водорода – тритий (³ H, или Т).

  Историческая справка. Благодаря широкой распространённости В. и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Представление философов античности о В. как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (4 в. до н. э.) о четырёх стихиях (огне, воздухе, земле и В.), причём В. считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 в. в науке существовало представление о В. как об индивидуальном химическом элементе. В 1781—82 английский учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал В., взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 французский учёный А. Лавуазье , повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что В. есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье определил количественный состав В. В 1800 английские учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили В. на элементы электрическим током. Таким образом, анализ и синтез В. показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H₂ O. Изучение физических свойств В. началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой В. как на причину плавучести льда. В 1665 голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру плавления В. за опорные точки шкалы термометра. В 1772 французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности В. лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы – килограмма . В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара В. от температуры. В 1891—97 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности В. от температуры. В 1910 американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 американские учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую В. Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул В., а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёных привлекает структура жидкой В. и водных растворов .

  Физические свойства и строение В. Важнейшие физические константы В. приведены в табл. 1. О давлении насыщенного пара В. при разных температурах см. в ст. Пар водяной . О полиморфных модификациях В. в твёрдом состоянии см. в ст. Лёд . Тройная точка для В., где находятся в равновесии жидкая В., лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10^-3атм .

  Многие физические свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H₂ Te, H₂ Se, H₂ S, H₂ O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти температуры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см³ при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. В. способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при —30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.

  Табл. 1. – Физические свойства воды

  Примечание: 1 кал/(см ·сек ·град) = 418,68 вт/( м·К); 1 ом^–1 ·см^–1 = 100 сим/м ;

1 кал/(г ·град) =.4,186 кдж (кг ·К); 1 спз = 10^—3н ·сек/м² ; 1 дин/см = 10^–3н/м.

  Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 1 , а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (рис. 1 , б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1 , г). Благодаря этой полярности В. имеет высокий дипольный момент (1,86 D ), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).

  Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 2 ), она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см³ .) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H₂ O с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени сохраняется; однако «рыхлость» структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы «дальнего порядка» попадают в «пустоты», что ведёт к росту плотности В. При дальнейшем нагревании В. возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение В., которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания В. необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H₂ O)₂ .

  Вода как растворитель. В. – наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в В. уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в В., но и образуют кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м² (3 кгс/см² ) даёт кристаллогидрат C₃ H₈ ·17H₂ O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат В. в «пустотах» своих кристаллов (так называемые клатраты, см. Соединения включения ).

  В. – слабый электролит , диссоциирующий по уравнению:

причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.: К_в = [Н⁺ ] [ОН^- ], где [Н⁺ ] и [ОН^- ] – концентрация соответствующих ионов в г-ион/л ; Кв составляет 10^-14 (22°С) и 72·10^-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры (см. также Водородный показатель ).

  Будучи электролитом, В. растворяет многие кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электрический ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов (см. Гидратация ). Многие вещества при растворении в В. вступают с ней в реакцию обменного разложения, называемую гидролизом . Из органических веществ в В. растворяются те, которые содержат полярные группы (—ОН, —NH₂ , – СООН и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Сама В. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органических растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам В. присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних.

  В. любого природного водоёма содержит в растворённом состоянии различные вещества, преимущественно соли (см., например, Жёсткость воды ). Благодаря высокой растворяющей способности В., получить её в чистом виде весьма трудно. Обычно мерой чистоты В. служит её электропроводность. Дистиллированная В., полученная перегонкой обычной В., и даже повторно перегнанный дистиллят имеют электропроводность примерно в 100 раз более высокую, чем у абсолютно чистой В. Наиболее чистую В. получают синтезом из тщательно очищенного кислорода и водорода в спец. аппаратуре.

  В последние годы появились многочисленные сообщения о существенном изменении свойств технической и дистиллированной В. после её протекания с определённой скоростью в магнитных полях оптимальной (весьма невысокой) напряжённости. Эти изменения носят временный характер и через 10—25 часов постепенно и самопроизвольно исчезают. Отмечается, что после такой «магнитной обработки» ускоряются процессы кристаллизации растворённых в В. веществ, адсорбции, изменяется смачивающая способность В. и др. Хотя теоретическое объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практическое применение – для предотвращения образования накипи в паровых котлах, для улучшения процессов флотации , очистки В. от взвесей и др.