Вода

Основной источник статьи: Большая российская энциклопедия

ВОДА́ (оксид водорода), простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом, H₂O; при нормальных условиях – жидкость без запаха, вкуса и цвета. Одно из самых распространённых на Земле соединений, играющее исключительно важную роль в разнообразных процессах живой и неживой природы Земли. Истинный состав воды как сложного вещества был впервые установлен А. Лавуазье в 1783. Греческое название ὕδωρ (см. Гидро…), лат. aqua – аква.

Вода как вещество

Распространённость в природе

Вода образует гидросферу, входит в связанном виде в состав различных минералов и горных пород, является обязательным компонентом всех живых организмов, присутствует в почве и атмосфере. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве; вода входит в состав комет, большинства планет Солнечной системы, спутников.

Количество воды на поверхности Земли оценивается в 1,39·10²¹ кг, бóльшая часть содержится в морях и океанах (1,34·10²¹ кг); см. также таблицу в статье Воды суши. В глубинных слоях Земли воды значительно больше, чем на поверхности, – (1,1–1,3)·10²¹ кг в литосфере, (1,3–1,5)·10²² кг в мантии Земли. Количество доступных пресных вод составляет 2·10¹⁷ кг. В атмосфере находится около 1,3·10¹⁶ кг. На Земле существует постоянный кругооборот воды (см. Влагооборот, Водный баланс).

Природная вода всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества, а также коллоидные частицы и микроорганизмы. Состав примесей зависит от происхождения воды. По минерализации различают следующие виды воды: атмосферные осадки (10–20 мг/кг), ультрапресные (до 200 мг/кг), пресные (200–500 мг/кг), слабоминерализованные (0,5–1,0 г/кг), солоноватые (1–3 г/кг), солёные (3–10 г/кг), с повышенной солёностью (10–35 г/кг), переходные к рассолам (35–50 г/кг), рассолы (более 50 мг/кг); максимальная концентрации солей содержат воды соляных озёр (до 300 г/кг) и глубокозалегающие подземные воды (до 600 г/кг). В пресных водах преобладают ионы HCO₃^–, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, Na⁺, SO₄^2–, K⁺, (см. также Минеральные воды, Жёсткость воды). К микрокомпонентам природной воды относятся бор, литий, рубидий, медь, цинк, алюминий, бериллий, вольфрам, уран, бром, йод и др. Из растворённых газов в природных водах присутствуют азот, кислород, углекислый газ, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ в водах рек около 20 мг/кг, в воде океана – около 4 мг/кг, причём их состав чрезвычайно разнообразен. См. также Гидрохимия.

Изотопный состав

Существует 9 разновидностей молекул В., включающих только стабильные изотопы. Их содержание в природной В. в среднем составляет (мол. %):
¹H₂¹⁶O — 99,73;
¹H₂¹⁸O — 0,2;
¹H₂¹⁷O — 0,04;
¹H²H¹⁶O — 0,03;
остальные присутствуют в ничтожных количествах. Природная вода содержит также радиоактивный тритий. По физическим свойствам изотопные разновидности воды несколько различаются; тяжёлая вода существенно отличается по свойствам от природной.

Строение молекулы и физические свойства

Атомы H и O в молекуле воды расположены в вершинах равнобедренного треугольника с длиной связи O–H 0,0957 нм; валентный угол H–O–H 104,5°. Электронная плотность молекулы воды распределена таким образом, что возникают 4 полюса зарядов, расположенные в вершинах искажённого тетраэдра: два положительных на атомах H и два отрицательных на неподелённых электронных парах атома O. Дипольный момент 6,17·10^–30 Кл·м, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ.

Фазовая диаграмма воды (I–IX – области существования различных модификаций льда; в области I лёд существует в обычной гексагональной и низкотемпературной кубической модификациях; лёд IV является метастабильной фазой в области стабильного существования льда V; лёд IX – упорядоченный по ориентации молекул вариант льда III).

Вода может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Дипольные молекулы воды взаимодействуют друг с другом и с полярными молекулами других веществ (атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами кислорода, азота, фтора, хлора, серы и др.). Каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи: две – как донор протонов, две – как акцептор. Средняя длина таких связей в кристаллических модификациях льда (известно 10 кристаллических модификаций льда) и кристаллогидратах около 0,28 нм. Угол O–HO стремится к 180°. В обычных условиях лёд существует в гексагональной модификации; угол H–O–H близок к тетраэдрическому (109,5°), что обусловливает рыхлость структуры льда. При увеличении внешнего давления лёд переходит в модификации с большей плотностью (рисунок); максимальная плотность льда 1660 кг/м3.

Ссылки

• Пара-вода и орто-вода: физики впервые смогли разделить воду на две разных жидкости