Вода — основа життя

Сполука Гідрогену з Оксигеном вода є життєвим середовищем усіх біологіч-них систем. Вода — це одна з найпошире-ніших на Землі сполук. Молекули води виявлені у міжзоряному просторі, вона входить до складу планет сонячної сис-теми і її супутників. Кількість води на поверхні Землі оці-нюється в 1,39·10¹⁸ т, більша частина її знаходиться у морях і океанах. Кількість доступних для використання прісних вод у річках, озерах, болотах і водосховишах складає 2·10¹⁴ т. Маса льодовиків Антарктики, Антарктиди і високогірних районів — 2,4·10¹⁶ т, приблизно стільки ж є підземних вод, причому тільки невелика їх частина — прісні. У глибинних шарах Землі утримується значно більше (очевидно, не менше, ніж на по-рядок) води, ніж на поверхні. В атмосфері знаходиться біля 1,3·10¹³ т води. Вода входить до складу багатьох мінералів і гірських порід (глин, гіпсу, алюмосилікатів і ін.), присутня у грунті, є обов'язковим компонентом всіх живих організмів, входить до складу харчових продуктів.

1.Фізико-хімічні властивості води

Існує 9 стійких ізотопних різновидів води. Вміст їх у прісній воді у середньому наступний (мол. %): ¹Н₂¹⁶О — 99,73; ¹Н₂¹⁸О — 0,2; ¹Н₂¹⁷О — 0,04; ¹Н₂²Н₂¹⁶О — 0,03; решта п'ять ізотопних різновидів присутні у воді у мізерних кількостях. Крім стабіль-них ізотопних різновидів, у воді утримується невелика кількість радіоактивного Гідрогену у вигляді ³Н₂¹⁶О (або Т₂О). Ізотопний склад природної води різного походження дещо змінний. Особливо це стосується співвідношення ¹Н/²Н: у прісних водах — у середньому 6900, у морській воді — 5500, у льодах — 5500 — 9000. За фізичними властивостями D₂О значно відрізняється від Н₂О, тоді як вода, яка містить ¹⁸О, за властивостями ближча до води з ¹⁶О.

В молекулах води атоми Гідрогену і Оксигену розміщені у кутах рівнобедреного трикутника з довжиною зв'язку О-Н 0,0957 нм; валентний кут <Н-О-Н дорівнює 104,5⁰; дипольний момент 6,17·10^-30 Кл·м² ; поляризуємість молекули 1,45·10^-3 нм³; середній квадрупольний момент — 1,87·10^-41 Кл·м² ; енергія іонізації 12,6 еВ; спорідненість до протона 7,1 еВ.

Фізико-хімічні властивості води аномальні. Плавлення льоду при атмосферному тискові супроводжується зменшенням об'єму на 9%. Нижче наводимо значення величин, які характеризують властивості води у різних агрегатних станах (табл. 1-6)

Таблиця 1. Кристалічні модифікації льоду

Показник	Лід
	I	II	III	V	VI	VII
Відносна густина	0,92	1,12	1,03	1,09	1,13	1,5
Відносний молярний об'єм	1,096	0,89	0,97	0,92	0,88	0,67

Таблиця 2. Потрійні точки води і модифікацій льоду

Система	Температура, 0С	Тиск, МПа
Вода — лід І — лід ІІІ	-22,0	207
Лід І — лід ІІ — лід ІІІ	-34,7	213
Вода — лід ІІІ — лід V	-17,0	346,5
Лід ІІ — лід ІІІ — лід V	-24,3	344,5
Вода — лід V — лід VІ	+0,16	626
Вода — лід VІ — лід VІІ	+81,6	2199

Таблиця 3. Фізико-хімічні константи льоду

Параметр	Значення
Густина при 00С і 101325 Па	916,8 кг/м3
Параметри решітки	а=0,4535 нм
Модуль пружності Юнга при -100С і 101325 Па	9444486,5 Мпа-1
Ізотермічне стиснення при 00С і 30 Па	12·10-5 Мпа-1
Швидкість поширення звуку	3160 м/с
Діелектрична проникність при -10С і 101325 Па і 3000 Гц	79 Ф/м
Питомі величини при нормальних умовах теплота плавлення теплота сублімації теплоємність теплопровідність електропровідність коефіцієнт об'ємного розширення коефіцієнт лінійного розширення	332,4 кДж/кг 2834 кдж/кг 2,039 кДж/кг ~ 2,34 Вт /(м·К) 0,4·10-10 см·м-1 12·10-5 дм3/(кг·К) 5,27·10-5 К-1
Термодинамічні величини теплота утворення при 00С і 101325 Па теплота плавлення при 101325 Па	292,72 кДж/моль 6,012 кДж/моль

Температурний коефіцієнт об'ємного розчинення льоду і рідкої води відємний при температурах відповідно нижче — 210⁰С і 3,98⁰С. Теплоємність С⁰_р при плавленні зростає майже в двоє і в інтервалі 0 — 100⁰С майже не залежить від температури (має мінімум при 35⁰С). Мінімум ізотермічного стиснення (44,9·10^-11 Па^-1 ), який спостерігається при 46⁰С виражений досить чітко. При низьких тисках і температурах до 30⁰С в'язкість води з ростом тиску падає. Високі діелектрична проникність і дипольний момент води визначають її добру здатність розчиняти полярні та іоногенні речовини. Завдяки високим значенням С⁰_р, ΔН⁰_пл і ΔН⁰_вип вода — важливий регулятор кліматичних умов на Землі, який стабілізує температуру на її поверхні. Крім того, наближення кута Н-О-Н до тетраедричного (109⁰28´) обумовлює пухкість структур льоду

Таблиця 4. Фізико-хімічні константи води

Параметр
Температура замерзання при 101325 Па кипіння при 101325 Па максимальної густини	0,000С 100,000С 3,98 0С
Критичні константи температура тиск густина	374,150С 22,143 МПа 325,0 кг/м3
Швидкість поширення звуку при 250С	1496,3 м/с
Кріоскопічна константа	1,85
Ебуліоскопічна константа	0,516
Питомі величини при 101325 Па теплоємність при 150С теплопровідність при 00С теплопровідність при 450С електропровідність при 180С	4,187 кДж/(кг·К) 0,599 Вт/(м·К) 0,645 Вт/(м·К) 4,4·10-10 см·м-1
Термодинамічні величини теплота утворення (-ΔН, газ, 101325 Па, 250С) етропія (S, газ, 101325 Па, 250С) вільна енергія (-ΔF, газ, 101325 Па) теплоємність при 250С енергія дисоціації Н2О ↔ Н + О + Н Н2О ↔ Н + ОН теплота електролітичної дисоціації при 200С	241,989 кДж/моль 188,846 Дж/моль·К 288,750 кДж/моль 76,07 Дж/моль·К -916,5 кДж/моль -493,2 кДж/моль -57150 Дж/моль

і рідкої води, і, як наслідок, аномальну залежність густини від температури. Саме тому великі водоймища не промерзають до дна, а це забезпечує існування у них життя водних мешканців.

Для проектування технологічних процесів , зв'язаних з використанням води і водяної пари необхідні значення фізико-хімічних характеристик цих фаз, які знаходяться у рівновазі (табл. 7).

Молекули води володіють значним дипольним моментом, тому вони взаємодіють між собою і полярними молекулами інших речовин.

Таблиця 5. Фізичні константи льоду і води

Параметр	Значення
Електричний опір льоду при 00С рідини при 00С рідини при 500С	0,4·10-6 Ом·м 1,47·10-6 Ом·м 18,9·10-6 Ом·м
Діелектрична проникність льоду при 00С рідини при 250С	91 78,3
Показник заломлення льоду при 00С води при 200С пари при 00С і 0,1 МПа	1,3104 1,3333 1,000252
Магнітна сприйнятливість льоду при 00С рідини при 00С рідини при 250С	-12,683·10-6 -12,937·10-6 -12,985 ·10-6
Коефіцієнт ізотермічного стиснення, Па-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 600С	12 ·10-11 51,1·10-11 45,5·10-11
Температурний коефіцієнт об'ємного розширення, 0С-1 льоду при 00С рідини при 00С рідини при 100С рідини при 200С	-1,2·10-4 -3,4·10-5 9·10-5 2·10-4

У процесі такої взаємодії атоми гідрогену води можуть утворювати водневі зв'язки з атомами O, N, F, C, S і ін. У водяній парі при невисоких температурах і помірних тисках невелика кількість (біля 1% при температурі кипіння і атмосферному тиску0 димерів води ( для них ∆Н_утв ~15 кДж/моль,), віддаль між атомами Оксигену ~0,3 нм. У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі

У конденсованих фазах кожна молекула води утворює чотири водневі зв'язки: два як донор протонів і два — як акцептор протонів. Середня довжина цих зв'язків у кристалічних модифікаціях льоду і кристалогідратах біля 0,28 нм. Кут О — Н ... О наближається до 180⁰. Чотири водневі зв'язки води напрямлені приблизно до вершин правильного тетраедра .

Таблиця 6. Фізико-хімічні константи важкої води

Параметр	Стан або умова визначення	t,0С	Значення для Д216О
Молекулярна маса	-	-	20,02948
Густина, кг/м3	рідина	25	1104,211
Температура, 0С плавлення максимальної густини кипіння критична	101325 Па 101325 Па 101325 Па 22,75 МПа	- - - -	3,813 11,6 101,43 371,5
Тиск Критичний, МПа пари, Па·102	- -	371,5 25,0	22,15 26,73
В'язкість відносна	Рідина	25	1,232
Показник заломлення	Д — лінія Na	25	1,32795
Поверхневий натяг, мН/м	Рідина	20	67,8
Діелектрична проникність, Ф/м	Рідина	25	78,54
Іонний добуток [D3O+][OD-1]·10-14	Рідина	25	0,2
Дипольний момент, Кл·м·1030	-	-	6,23
Термодинамічні величини, кДж\моль теплота утворення (-ΔН) теплота плавлення Теплота випаровування вільна енергія (-ΔF) ентропія (S), Дж/моль·К теплоємність, Дж/моль	Газ, 101325 Па 101325 Па 101325 Па Газ, 101325 Па Газ, 101325 Па Рідина	25 Т.пл. 25 - 25 25	84,78 249,383 6,284 45,427 234,741 185,806

Структура модифікації льоду являє собою тривимірну сітку. Існує дев'ять кристалічних модифікацій льоду, які відрізняються своєю будовою і властивостями.

Таблиця 7. Властивості води і водяної пари, які знаходяться у рівновазі.

Т, 0С	Густина, г/см3		Теплопровідність, МВт/(м·К)		Ср0
	Рідина	Пара	Рідина	Пара	Рідина	Пара
0	0,99987	4,85·10-6	561,0	17,1	75,973	33,581
10	0,99973	9,4·10-6	580,0	17,6	75,5411	33,653
20	0,99823	1,729·10-5	598,5	18,2	75,342	33,761
30	0,99567	8,037·10-5	615,5	18,9	75,288	33,924
40	0,99224	5,116·10-5	630,6	19,6	75,342	34,122
60	0,98324	1,302·10-5	654,4	21,2	75,396	34,662
80	0,97183	2,934·10-4	669,8	23,0	75,613	35,4722
100	0,95838	5,977·10-4	678,8	25,1	75,955	36,644
120	0,9434	1,121·10-4	683,0	27,5	76,477	38,265
150	0,9173	2,547·10-3	681,7	31,6	77,648	41,797
200	0,8649	7,862·10-3	663,3	40,1	80,117	51,940
250	0,7992	1,998·10-3	625,5	51,3	87,719	70,586
300	0,7122	4,621·10-2	547,5	69,3	103,952	110,618
350	0,5745	0,1136	445,0	134,2	181,601	287,355

Тривимірна сітка водневих зв'язків, побудована з тетраедрів, існує і у рідкій воді в усьому інтервалі від температури плавлення до критичної. Збільшення густини при плавленні, як і у випадку щільних модифікацій льоду, пояснюється викривленням водневих зв'язків і відхиленням кутів між ними від тетраедричних. Викривлення зв'язків збільшується з ростом температури і тиску, що призводить до зростання густини. З іншої сторони, при нагріванні середня довжина водневих зв'язків стає більшою, в результаті чого густина зменшується. Сумісна дія цих двох факторів пояснює наявність максимума густини води при 3,98 ⁰С.

Таблиця 7 (продовження).

Т, 0С	Динамічна в'язкість, мкПа·с		Тиск пари, Па	ΔН0вип, кДж/моль	γ, мН/м
	Рідина	Пара
0	1792	9,22	6,108·102	45,058	75,65
10	1308	9,46	1,2271·103	44,632	74,22
20	1003	9,73	2,3368·103	44,207	72,74
30	797,7	10,01	4,2417·103	43,782	71,20
40	653,1	10,31	7,3749·103	43,355	69,00
60	466,8	10,94	1,9919·103	42,488	66,24
80	354,9	11,60	4,7359·104	41,597	62,68
100	282,1	12,28	1,01325·105	40,665	58,92
120	323,1	12,97	1,9854·105	39,813	54,97
150	181,9	14,02	4,7597·105	38,087	48,75
200	133,6	15,78	1,5551·106	34,933	37,68
250	105,8	17,59	3,9776·106	30,874	29,05
300	85,81	19,74	8,5919·106	25,276	14,37
350	65,68	23,72	1,6537·107	15,119	3,68

З невеликого числа молекул лише незначна їх доля (при 25⁰ — приблизно 1 молекула на 5·10⁹) зазнає електролітичної дисоціації за схемою: Н₂О  Н⁺ + ОН^- . Протон Н⁺ у водному середовищі взаємодіє з молекулами води і утворює іон гідроксонію Н₃О⁺ , який об'єднується з 1 молекулою Н₂О в іон дигідроксонію Н₂О₂⁺ . Віддаль О...О у таких комплексних іонах помітно коротша довжини нормального водневого зв'язку між нейтральними молекулами. Але оскільки протон , очевидно, знаходиться не точно посередині цього вкороченого зв'язку, а ближче до одного з атомів Оксигену, можна вважати, що у воді існує гідратований іон гідроксонію Н₃О⁺. Явище електролітичної дисоціації води відіграє велику роль у хімічних процесах, які відбуваються у різних системах, в тому числі у біологічних. Дисоціація води є причиною гідролізу багатьох речовин, до складу яких входять іони, породжені слабкими електролітами (основами або кислотами). Концентрація іонів [OH-] важлива характеристика води і водних розчинів. Для чистої води концентрації Н⁺ і ОН^- рівні і становлять 1·10^-7·1·10^-7 = 1·10^-14, це величина постійна і позначається як К_в (це іонний добуток води). Для води і одних розчинів важливою характеристикою є водневий показник (рН), який дорівнює значенню від'ємного логарифма з концентрації водневих іонів: рН = -lg[Н⁺].

При підвищенні температури дисоціація води збільшується, тому ступінь її дисоціації зростає. Концентрація іонів Н+ у природних водах і водному середовищі біологічних систем активно впливає на різні обмінні процеси, пов'язані з утворенням розчиненням або обміном мінеральних і органічних речовин, зміщенням різних рівноважних процесів, утворенням певних іонних форм речовини, на швидкість їх міграції у природних умовах.

При низьких температурах утворення води з молекул водню і кисню у відсутності каталізатора відбувається надзвичайно повільно, але при підвищенні температури швидкість процесу різко зростає і при 550⁰С реакція відбувається з вибухом. При зниження тиску і підвищенні температури рівновага зсувається вліво. Ступінь термічної дисоціації води (%) при 100 кПа становить: 0,034 (1015⁰С); 0,74 (1711⁰С); 8,6 (1015⁰С) і 11,1 (2483⁰С). Під впливом УФ випромінювання відбувається фотодисоціація води на іони Н⁺ і ОН^- . Іонізуюче випромінення викликає радіоліз води з утворенням Н₂, Н₂О₂ і вільних радикалів Н^-, ОН^-, НО₂^-; радіаційний вихід приблизно 4 молекули, що розпались, на кожні 1,6·10^-17 Дж поглиненої енергії випромінювання.

Вода належить до реакційно здатних речовин. Вона окиснюється атомарним киснем: Н₂О + О → Н₂О₂, реагує з активними металами і неметалами, основними і кислотними оксидами, утворює кристалогідрати з багатьма типами неорганічних і органічних сполук. Лужні метали реагують з водою з утворенням лугів і водню, а галогени (Cl₂, Br₂, I₂) утворюють у реакції з водою дві кислоти HНal і HНalО. Фтор реагує з водою специфічно, крім HF, у цій реакції утворюються також О, О₂, О₃, Н₂О₂, OF₂ і інші сполуки. При підвищених температурах замість HНalО галогени (Cl₂, Br₂, I₂) утворюють з водою HНalО₃, які не стійкі і розкладаються на HНal і О₂. Якщо воду пропускають через розжарене вугілля вона утворює так званий водяний газ: Н₂О + С → СО + Н₂. При підвищенні температури у присутності каталізатора вода реагує з СО, СН4, іншими вуглеводнями, наприклад: Н₂О + СО → СО₂ + Н₂ (каталізатор залізо), Н₂О + СН₄ → СО + 3Н₂ (каталізатор нікель або кобальт). Ці реакції використовують для промислового одержання водню. Воду можна розглядати як перспективу для водневої енергетики . Якщо людство відкриє дешевий спосіб одержання водню з води, проблема екологічно безпечної енергетики стане значною мірою вирішеною. Для розкладу води на водень і кисень може бути залучена енергія сонця, яка харчує сонячні батареї елемента постійного електричного струму, а також можуть бути використані термохімічні способи розкладу води.

Червоний фосфор при нагріванні з водою під тиском у присутності каталізатора окиснюється до метафосфорної кислоти: 6Н₂О + 3Р = 2НРО₃ + 5Н₂, без каталізатора взаємодія води з червоним фосфором відбувається інакше : 6Н₂О + 4Р = РН₃ + 3Н₃РО₂ (тут утворюються фосфін і гіпофосфітна кислота).

З лужними і лужноземельними металами вода реагує вже при кімнатній температурі, менш активні метали реагують з водою при підвищеній температурі, Mg і Zn — вище 100⁰С , Fe — вище 600⁰С. Вода з оксидами багатьох елементів утворює основи або кислоти.

Вода може бути каталізатором хімічної реакції. Наприклад, у реакції взаємодії водню або лужних металів з хлором (потрібні сліди води). В окремих реакціях вплив води протилежний — вона служить каталітичною отрутою (для залізного каталізатора при синтезі NH₃).

За рахунок водневих зв'язків молекули води утворюють просторові сітки, у яких знаходяться порожнини, у них можуть знаходитись молекули інертних газів, вуглеводнів, вуглекислий газ хлор, (СН₂)₂О, СНCl₃ і багато інших речовин. У формі гідратів такого типу перебувають у деяких місцевостях у природі поклади газу.

Вода — добрий розчинник і тому розчиняє багато полярних та іонних речовин. У більшості випадків зі зростанням температури розчинність речовин у воді зростає, але деякі речовини мають складний характер цієї залежності. Розчинність багатьох сульфатів, карбонатів і фосфатів при підвищенні температури зменшується або спочатку підвищується, а потім проходить через максимум. Розчинність малополярних речовин ( у тому числі газів, які входять до складу атмосфери) у воді низька і при підвищенні температури, зазвичай зменшується, а потім проходить через мінімум. З підвищенням тиску розчинність газів зростає, проходячи при високих тисках через максимум. Багато речовин не просто розчиняються у воді, а хімічно реагують з нею. У розчинах NH₃ можуть бути молекули NH₃·Н₂О і незначна кількість іонів NH₄⁺. Між розчинними у воді іонами, атомами, молекулами, які не вступають з нею у хімічні реакції, і молекули води існують іон-дипольні та міжмолекулярні взаємодії, які не руйнують їх.