(Структура льда)
Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.
Это же свойство проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода.
Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.
Исходя из строения молекул воды, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при –70 °С и замерзать при –90 °C. В таком случае она никогда не могла бы существовать в земных условиях ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное состояние. Однако, температура кипения воды +100 °С, а температура плавления 0 °C. Это преимущество ассоциативности молекул с помощью межмолекулярных связей, широкий температурный интервал существования, дает возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты (рисунок 26):
Рисунок 26 – Фазовая диаграмма воды
Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 °С, требуется в шесть раз больше теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 °С (от 20 до 100 °С).
Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
При плавлении льда на преодоление ассоциативных связей между молекулами затрачивается в шесть раз меньше энергии, чем при испарении воды.
Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80 °С (от 20 до 100 °С). При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда – поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.
Среди необычных свойств воды – ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20 °С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная стальная иголка). Многие насекомые (водомерки, ногохвостки и др.) не только передвигаются по поверхности воды, но взлетают с нее и садятся, как на твердую опору. Более того, живые существа приспособились использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Личинки комаров повисают на ней с помощью несмачиваемых щетинок, а маленькие улитки – прудовики и катушки ползают по ней в поисках добычи.
Высокое поверхностное натяжение позволяет воде принимать шарообразную форму при свободном падении или в состоянии невесомости: такая геометрическая форма имеет минимальную для данного объема поверхность.
Химические свойства воды
Химические свойства воды определяются особенностями ее строения. Вода довольно устойчивое вещество, она начинает разлагаться на водород и кислород при нагревании по крайней мере до 1000 °С (происходит термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация).
Вода относится к химически активным соединениям. Ее химические свойства можно разделить на несколько групп.
I. Окислительно-восстановительные свойства: окислительтные свойства вода проявляет за счет атомов водорода в степени окисления (+1), а восстановительные свойства – за счет атома кислорода в степени окисления (–2).
1) При обычных условиях вода взаимодействует с щелочными и щелочноземельными металлами, проявляя окислительные свойства:
2H2O + Ca = Ca(ОН) 2 + H2,
2H2O + 2Na = 2NaOH + H2;
2) При нагревании взаимодействует с остальными металлами с Е0<0, проявляя окислительные свойства:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2;
3) Взаимодействует с гидридами щелочных и щелочноземельных металлов, проявляя окислительные свойства:
KH + HOH = KOH + H2,
СаH2 + 2HOH = Са(OH)2 + 2H2;
4) Взаимодествует со фтором, проявляя восстановительные свойства:
2H2O + 2F2 = 4HF + O2;
5) При температуре 1000 ºС водяной пар разлагается, подвергаясь окислительно-восстановительному распаду:
2H2O = 2Н2 + О2.
II. Реакции гидратации – реакции присоединения воды.
1. Взаимодействует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов:
CaО + H2O = Ca(ОН)2,
Na2О + H2O = 2NaOH.
2. Взаимодействует с кислотными оксидами:
CO2 + H2O = H2CO3,
SO3 + H2O = H2SO4.
3. Взаимодействует с непредельными органическими соединениями:
CH2=CH2 + H2О = CH3–CH2–ОН.
III. Реакции гидролиза – обменные реакции между составными частями вещества и молекулами воды.
1. Гидролиз солей:
2CuSO4 + 2H2O = (CuOH)2SO4 + H2SO4 (гидролиз по катиону),
CH3COONa + H2O = CH3COOH + NaOH (гидролиз по аниону),
Al(CH3COO)3 + H2O = AlOH(CH3COO)2 + CH3COOH (совместный гидро-лиз по катиону и аниону).
2. Гидролиз карбидов металлов:
Аl4C3 + 12Н2О = 4Аl(OH)3 + 3CH4,
СаС2 + 2Н2О = Са(OH)2 + С2Н2.
3. Гидролиз многих органических соединений: галогеналканов, сложных эфиров, жиров, ди- и полисахаридов, белков.
IV. Кислотно-основные свойства.
Для жидкой воды характерна самоионизация. Молекулы ее взаимно влияют друг на друга. Тепловое движение молекул вызывает ослабление и гетеролитический разрыв отдельных связей О–Н в молекулах воды. При этом протон присоединяется к атому кислорода соседней молекулы воды по донорно-акцепторному механизму:
Н2О + Н2О = Н3О+ + ОН–.
ион гидроксония
В сущности ион гидроксония является гидратированным ионом водорода, поэтому упрощенно самоионизацию воды можно представить следующим образом:
Н2О = Н+ + ОН–.
Так как при ионизации одновременно образуются ионы Н+ и ОН– , то воду можно считать амфотерным электролитом.
Концентрация ионов Н+ и ОН– в воде равны 10–7 моль/дм3. Вода не проявляет сколько-нибудь выраженных кислотных или основных свойств. Однако вода оказывает сильное ионизирующее действие на растворенные в ней электролиты. Под действием диполей воды растворы многих веществ в воде проявляют кислотные свойства:
НСl = H+ + Cl–.
Присоединением протона молекулы воды к молекулам некоторых растворенных веществ обусловлены основные свойства водных растворов этих веществ:
NH3 + HOH = NH4+ + OH–.
Биологическая роль воды
Человеческий организм состоит из 70–80 % воды, в некоторых растениях воды содержится до 90 % и более.
Живые организмы строят свои тела, структуры, органы из тех материалов, которые их окружают в их естественной окружающей среде. Во-первых, эти материалы должны быть относительно легко доступны, во-вторых, они должны удовлетворять требованиям обеспечения комфортного существования организма, и, в-третьих, исполнять необходимые функции жизнеобеспечения. Среди компонентов окружающей среды, используемых живыми организмами, вода в силу своих специфических свойств занимает особое место.
Примерно 80 % поверхности земного шара покрыто водой. С этой точки зрения вода на Земле является уникальным веществом, ее доступность можно сравнить только с воздухом. Основная масса живых организмов на Земле, как среди животных, так и среди растений, в качестве основного строительного материала выбрали именно воду. Не удивительно, что многие организмы содержат в своем составе до 90 и более процентов воды. Как утверждают ученые, первые истоки жизни на Земле появились именно в воде. И по настоящее время всем хорошо известно, что без воды жизнь на Земле погибает. Поэтому, именно доступность воды явилась первым основным строительным материалом при зарождении жизни на Земле. Таковой вода и остается по сегодняшний день.
Вода в организме вступает в химические взаимодействия только в некоторых контролируемых биохимических процессах, как например, в реакциях синтеза цикла Кребса, в процессе фотосинтеза, в процессах гидратации и в других подобных процессах. Основная масса воды в организме играет роль среды, в которой проходят эти реакции. Известно, что большинство химических реакций могут проходить либо в растворах жидкостей, либо в газообразном состоянии. Биохимические реакции, как правило, проходят в водных растворах. В этом отношении вода является единственной жидкостью, которая обеспечивает оптимальные условия для организации жизненно важных биохимических процессов.
Из воды на 80 % состоит кровь. Лимфа, пот, моча также представляяют собой водные растворы, содержащие удаляемые из организма продукты. Это биологически важное свойство воды обусловлено ее уникальными свойствами как универсального растворителя и ее высокой текучестью в нормальных условиях. Свойство воды находиться в жидком состоянии в организме, а также нейтральность по отношению к организму определи ей роль универсального транспортного средства для обеспечения связи между органами.
Обладая большой теплоемкостью, вода обеспечивает наилучшие условия для накопления и сохранения тепла, которое необходимо для поддержания стабильной температуры в организме.
Вода выполняет также защитную функцию. В водной среде органы находятся в практически невесомом состоянии, или в состоянии минимального веса. Соответственно, инерциальные силы скомпенсированы или сведены к минимуму, что обеспечивает практически полную защищенность внутренних органов от критических перегрузок.
С каждым годом все больше информации появляется о «памяти» воды и ее способности излучать эту информацию в окружающее пространство. Впервые о памяти воды сообщил в начале 80-х годов XX века французский иммунолог Жак Бенвениста (1935–2004 гг.).
Идея памяти воды была подхвачена и другими специалистами. Например, ученый Михаил Жадин из Института биофизики клетки РАН (г. Пущино) заявил об открытии им особого вида излучения от растворенных в воде веществ и о возможности передачи этих излучений на расстояние («Эффект Жадина»). При этом утверждается, что вода состоит из особых «доменов», которые способны «запоминать» необходимую полезную для человека информацию и затем передавать ее.