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 — один из элементов в античной философии, в астрологии и в китайской философской концепции Пяти первоэлементов У-син.

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.

Трёхмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, сохраняется и в жидкой воде. Установлено объединение молекул воды в ассоциаты и даже в обширные кластеры (130 молекул H₂O при 0 °C, 90 – при 20 °C, 60 – при 72 °C, время жизни 10^–11–10^–10 с).

Некоторые параметры, характеризующие основные физические свойства воды в различных агрегатных состояниях (при давлении 1013,25 гПа), приведены далее:

Температура кипения, °С	100
Температура плавления, °С	0
Температура критическая, °С	374,15
Давление критическое, МПа	22,06
Плотность критическая, кг/м3	322
Теплота плавления, кДж/моль	5,99
Теплота испарения, кДж/моль при 100 °С	40,649
Плотность, кг/м3
лёд (гексагональная структура) при 0 °С	916,8
жидкость
при 0 °С	999,87
при 3,98 °С	1000
при 20 °С	998,23
при 100 °С	958,38
Теплопроводность, мВт/(м·К) жидкость
при 0 °С	561
при 20 °С	598,5
при 100 °С	678,8
Удельная электропроводность, Ом-1·м-1
лёд при 0 °С	0,4·10-10
жидкость
при 0 °С	1,47·10-10
при 50 °С	18,9·10-10
Удельная теплоёмкость, Дж/(кг-К) жидкость
при 0 °С	4217
при 15 °С	4168
при 40 °С	4179
при 100 °С	4216
Диэлектрическая проницаемость
лёд при 0 °С	74,6
жидкость при 20 °С	81
Динамическая вязкость, мПа·с жидкость
при 0 °С	1,792
при 20 °С	1,005
при 100 °С	0,2821
Поверхностное натяжение, мН/м жидкость на границе с воздухом
при 0 °С	75,65
при 20 °С	72,74
при 100 °С	58,92

Строение молекулы воды и наличие водородных связей обусловливают аномалию физических свойств. Так, плотность воды имеет максимум (1000 кг/м3) при 3,98 °C и при замерзании резко падает (увеличение объёма на 9%). Увеличение плотности при плавлении объясняется вхождением части несвязанных молекул воды в пустоты трёхмерной сетки. С другой стороны, усиливающееся при нагревании тепловое движение молекул обусловливает уменьшение плотности. Наличие этих двух противоположных тенденций объясняет своеобразную – возникновение максимума – зависимость объёма воды от температуры. Наличие пустот в структуре льда является также причиной способности воды к значительному переохлаждению (вплоть до –30 °C). Кроме того, высокая прочность водородных связей (около 21 кДж/моль) объясняет высокие значения температур кипения и плавления, удельных теплот плавления и кипения, диэлектрической проницаемости и др. Аномалии наблюдаются также в температурной зависимости удельной теплоёмкости (минимум при 35 °C), уменьшении вязкости с ростом давления, малой сжимаемости и её уменьшении с ростом температуры. Тройная точка воды (равновесие жидкая вода – лёд – пар) соответствует темп-ре 0,01 °C и давлению 6,1 гПа. О физических свойствах воды в твёрдом состоянии см. также в статье Лёд.

Вода как растворитель

Высокие диэлектрические проницаемость и дипольный момент воды определяют её хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Обычно растворимость возрастает с увеличением температуры. Растворимость в воде малополярных веществ (в том числе газов) сравнительно мала. С ростом давления и при понижении температуры растворимость газов возрастает. Многие вещества реагируют c водой при растворении. Между растворёнными в воде ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в химические реакции, и молекулами воды существуют ион-дипольные и межмолекулярные взаимодействия (см. Гидратация).

Вследствие высокой растворяющей способности воды получить её в чистом виде трудно. Для научных исследований, в медицине и пр. применяют дистиллированную воду; абсолютно чистую воду синтезируют из водорода и кислорода. Для бытовых и технических целей воды очищают (см. Водоподготовка).

Химические свойства

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: H₂O⇄H⁺+OH^– (см. Электролитическая диссоциация). Протон мгновенно гидpатиpуется с образованием ионов гидpоксония H₃O+ (энтальпия образования –1121,3 кДж/моль). Степень диссоциации воды возрастает при повышении температуры. Диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов H⁺ – важная характеристика водных растворов (см. Водородный показатель).

Образование воды из элементов при низких температурах происходит крайне медленно; скорость реакции резко возрастает при повышении температуры (при 550 °C – со взрывом). Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием H₂, H₂O₂ и свободных радикалов (H⋅, OH⋅, HO⋅₂).

Вода окисляется атомарным кислородом до H₂O₂. При взаимодействии воды с F₂ образуются HF и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода образует смеси кислот (например, HCl и HClO). При пропускании паров воды через раскалённый уголь H₂O разлагается на водяной газ (CO и H₂). При повышенной температуре в присутствии катализатора реагирует с CO и углеводородами с образованием H₂ (используют для промышленного получения H₂; см. Водородная энергетика). Вода взаимодействует с наиболее активными металлами с образованием H₂ и соответствующего гидроксида. При взаимодействии воды со многими оксидами образуются кислоты или основания. С солями образует кристаллогидраты, со многими газами при низких температурах (инертные газы, углеводороды) – соединения включения, газовые гидраты. Присоединение воды к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов, альдегидов и кетонов.

Значение

Без воды невозможно существование живых организмов. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании среды, климата и погоды. Благодаря высоким значениям удельной теплоёмкости, теплоты плавления и теплоты испарения, вода оказывает стабилизирующее воздействие на температуру поверхности Земли. Аномальная зависимость плотности от температуры и низкая плотность льда препятствуют промерзанию водоёмов, что обусловливает существование в них жизни. Некоторые из физических свойств воды положены в основу определения единиц измерения фундаментальных физических констант (массы, плотности, температуры, теплоты и удельной теплоёмкости). Вода – обязательный компонент многих технологических процессов (в том числе рабочее тело в паровых машинах, растворитель, хладагент, теплоноситель), химических реагент в промышленном производстве ряда кислот, щелочей, кислорода, водорода и пр., компонент лекарственных средств, продуктов питания и пр.; морская и озёрная вода, а также рассолы – сырьевой источник. См. также Водные ресурсы.

Биологическая роль

Биологическая роль воды обусловлена её уникальной химической структурой. В водной среде возникла жизнь. Для водных и околоводных организмов вода служит средой обитания. Недостаток воды вызывает нарушение жизнедеятельности всех организмов, а её длительное отсутствие могут переносить лишь покоящиеся формы жизни (споры, семена растений). В большинстве случаев вода является неотъемлемым компонентом живых организмов; она находится внутри клеток и служит основой внеклеточных жидкостей (например, гемолимфа и кровь у животных, флоэмный и ксилемный потоки у растений). Функции воды многообразны – она служит растворителем для различных соединений, средой для реакций обмена веществ, определяет объём клеток и внеклеточных жидкостей, обеспечивает транспорт веществ в организме, участвует в терморегуляции. Содержание воды в разных организмах различается: например, у водорослей на долю воды приходится 90–98%, в листьях наземных растений – 75–86, в семенах злаков – 12–14, у мхов и лишайников – 5–7, у кишечнополостных – 95–98, у насекомых – 45–65, у млекопитающих – 60–70%; неодинаково оно и в различных органах и тканях: например, в корковом веществе почки крыс – 74,6% воды, в мышце – 75,1, в белом веществе мозга – 76,4, в сером – 79,8%.

В организм вода поступает из внешней среды; она появляется там также в ходе метаболизма (например, у животных при окислении 100 г жиров образуется 107 мл воды, а при окислении 100 г углеводов – 55 мл). Транспорт молекул воды через биологические мембраны происходит по специальным каналам – аквапоринам. Всасывание воды через мембраны зависит от их осмотической проницаемости и определяется градиентом концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам мембраны. В организме образование воды, практически не содержащей растворённых веществ, происходит в некоторых отделах канальцев выделительных органов, протоках ряда желёз с внешней секрецией и сократительных вакуолях. Образование и выделение гипертонических жидкостей (секреты солевых желёз, моча) способствуют стабилизации водного баланса и осмоляльности (общего количества растворённых веществ) жидкостей внутренней среды организма. У живых существ сформировались системы стабилизации водного обмена при обитании в средах, контрастных по солевому составу и доступности воды (пресные водоёмы, моря, пустыни), это обеспечивается системами осморегуляции и волюморегуляции (поддержания постоянства объёма жидкости тела).

В организме человека вода находится в различных жидкостных фазах: внутриклеточной (около 55% всей воды тела) и внеклеточной (45%) – в сосудах (кровь, лимфа) и в межклеточном пространстве. Содержание воды уменьшается с возрастом: у новорождённого ребёнка 79% от массы тела, в возрасте 3–6 месяцев – 70%, у 6–12-месячных – около 60%. У мужчин содержание воды выше, чем у женщин: в возрасте 16–39 лет около 60% от массы тела, в 40–59 лет – 55%, в 60 лет и старше – около 51% и меньше, у женщин соответственно 50, 46,7, 45,5%. См. также Водно-солевой обмен и Водный режим растений.

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Антонченко В. Я. Физика воды. К., 1986.
• Артемьева С. Вода: (Свойства, ресурсы, использование). Рекомендательный указатель литературы. М., 1981.
• Зацепина Г. Н. Физические свойства и структура воды. 3-е изд. М., 1998.
• Ривкин С. Л., Александров А. А. Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. 2-е изд. М., 1984.
• Яшкичев В. И. Вода, движение молекул, структура, межфазные процессы и отклик на внешние воздействия. М., 1998.
• Frost H. Water as a liquid. Mankato, 2000.
• Frost H. Water as a solid. Mankato, 2000.
• Frost H. Water as a gas. Mankato, 2000.
• Water, a comprehensive treatise / Ed. F. Franks. N. Y., 1972–1982. Vol. 1–7.

В античной философии и астрологии

Источник раздела: Новая астрологическая энциклопедия

Вода — одна из фундаментальных стихий мироздания (см. Элементы). В самых различных мифологиях вода — первоначало, исходное состояние всего сущего, эквивалент первобытного хаоса; в большинстве мифологий встречается мотив подъятия мира (земли) со дна первичного океана. Вода — это среда, агент и принцип всеобщего зачатия и порождения. Но зачатие требует как женского, так и мужского начала; отсюда два аспекта мифологемы воды. В роли женского начала вода выступает как аналог материнского лона и чрева, а также оплодотворяемого мирового яйца. Вода может отождествляться с землёй как другим воплощением женского начала. Так возникает возможность олицетворения земного и водного начал в одном персонаже (иранская богиня Ардвисура Анахита, Спента-Армаити, скиф. Апи и др.). Брачный союз неба как мужского начала с землёй или водой является широко распространённым у индоевропейцев мифологическим мотивом. Китайская категория инь объединяет в себе значения воды как оппозиции огню и как женского начала. Богини любви (Иштар, Афродита и т.п.) непременно связаны с водой, что объясняет широкое распространение эротической метафорики воды). Но одновременно вода — плодотворящее мужское семя, заставляющее землю "рожать". Этот мотив характерен, например, для ханаанейско-финикийского образа Балу. Мотивы женского и мужского производящего начал органически совмещаются в таких образах как Ардвисура Анахита: "Она для меня делает благом и воду, и семя мужей, и утробу жён, и молоко женской груди" ("Ясна"). С этим совмещением связан "андрогинизм" воды, явно или скрыто присутствующий в образах божеств плодородия. С другой стороны, двоякость функций воды нередко воплощалась в супружеской чете водных (морских) божеств: такова роль отца Океана и матери Тефии у Гомера. Вода как "влага вообще", как простейший род жидкости, выступала эквивалентом всех жизненных "соков" человека — не только тех, которые имеют отношение к сфере пола и материнства, но прежде всего крови — мотив, характерный для мифологических представлений южноамериканских индейцев. С мотивом воды как первоначала соотносится значение воды для акта омовения, возвращающего человека к исходной чистоте. Ритуальное омовение — как бы второе рождение (этот аспект мифологемы воды удержан в христианской символике крещения). В то же время водная бездна или олицетворяющее эту бездну чудище — олицетворение опасности или метафора смерти (Апоп, водяной, русалки и т.п.); чрево водного чудища — преисподняя, выход из чрева — воскресение (мотив Ионы). Соединение в мифологии воды мотивов рождения и плодородия с мотивами смерти находит отражение во встречающемся во многих мифологиях различениях живой и мёртвой воды, животворящей небесной воды и нижней, земной, солёной воды, непригодной ни для питья, ни для орошения. Как бездна хаоса вода — зона сопротивления власти бога-демиурга. Наконец, являя собой начало всех вещей, вода знаменует их финал, ибо с ней связан (в эсхатологических мифах) мотив потопа.

В традиционной западной астрологии вода — элемент, обладающий качествами влажности и холода и связанный с зодиакальными знаками Рака, Скорпиона и Рыб. Ключевые слова: отсутствие формы при сохранении самости, пассивность, пластичность, изменчивость, глубинность, скрытность, неопределённость, эмоциональность, сонливость, томность, мечтательность, сентиментальность, образность, отрешённость, сохранение, гомеостаз, море, болото, река, интроверсия, растворение. Доминанта в зодиакальных знаках стихии воды — Юпитер.

В китайской астрологии вода — одна из пяти стихий (у син), она связывается с планетой Меркурий, севером, зимой (12 ноября — 22 января по григорианскому календарю), чёрным цветом, солёным вкусом и тухлым запахом, числом 6, земными "ветвями" крысы (цзы) и свиньи (хай), 9-м и 10-м небесными "стволами" (жэнь, гуй; в том числе соотносится с годами, оканчивающимися на 2 и 3), с ци (энергией) холода, в организме человека — с почками и мочевым пузырём. В цикле пяти стихий вода символизирует минимальную активность. Вода связана со страхом, областью уха возле виска, с костным мозгом.

Старинные китайские источники гласят: когда правит стихия воды, а император разрешит пробить плотину и накатятся волны, тогда умрёт императрица и другие высокопоставленные дамы. И можно будет найти много птичьих яиц, молодняк полевых зверей останется неоплодотворённым, а беременным грозит выкидыш.

Вода связана с северной ци (энергией) холода, "двигающей" сезон зимы. Действие этой ци ощущается с 22 декабря по 2 марта. Родившиеся под влиянием воды созданы, чтобы утешать людей в их бедах. Как правило, это любящие матери, привязанные к своим детям. Их жизненная задача — подавить в себе страх и пребывать в мире спокойствия.

Литература Новой астрологической энциклопедии

• Аверинцев С. Вода.// Мифы народов мира.
• Александер. Китайская астрология.
• Вайсберг В. Лекции по астрологии (начальный курс). Часть I.
• Жэнь Инцю. Базовая теория китайской медицины: Пять вращений, шесть энергий.
• Китайская философия.
• Элис Р. Китайская астрология.// О чём говорит год рождения. Восточные гороскопы.

Ссылки

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