Склад і властивості води

Вода. Наші далекі предки – древні шумери сказали б дуже коротко: А. Саме так звучало слово вода на їхній мові. І певно не випадково саме так звучить перша літера алфавіту практично у всіх народів світу. А–АКВА–ВА- ВОДА-Дигідрогенмонооксид – найперша і найнеобхідніша субстанція життя. Академік Володимир Іванович Вернадський писав: «Вода стоїть особняком в історії нашої планети. Немає природного тіла, яке б могло зрівнятися з нею по впливу на хід основних, самих грандіозних геологічних процесів…». Хотілося б добавити і соціальних, і історичних, і біологічних, бо як писав Гьоте «Вся жизнь из води происходит. Вода все хранит. Производит...» Вода породжує і життя людини. Ембріон, складається на 99% з води, новонароджені на 90, дорослі – на 70, а в старості лише 50. Вода життєдайна. Чим менше води – тим слабкіше життя. З фізичної точки зору людина - це вода.

Дивовижний ефект, або якою б мала бути температура кипіння води за періодичною системою Менделєєва

Яка вона насправді – всі знають: +100°С. за цієї температури вода перетворюється на пару. Нижче +100°С і до 0°С вона знаходиться у рідкому стані. Якщо температура понижується і далі – перетворюється на лід. Та, виявляється, ці звичайні властивості води насправді дуже незвичайні. Щоб пояснити, давайте спочатку вияснимо, що таке вода.

Шкільний підручник з хімії твердить: це атом кисню і два атоми водню, об’єднані в молекулу Н2О. Абсолютно правильно, якщо говорити лише про хімічний склад. Але цього замало для визначення властивостей води, як речовини, особливо температури її плавлення та кипіння. Бо ці температури у різноманітних речовин залежать від того, яке положення в Періодичній системі Менделєєва займають хімічні елементи, що входять до їхнього складу.

Що менший порядковий номер елемента (а відповідно і його атомна вага), то нижча температура кипіння його сполук. Якщо за цим законом провести розрахунки стосовно води, то результат буде дивовижний. Плавитися вона мала б при – 95°С, а кипіти – при – 65°С!

Тобто тоді вода на нашій планеті могла б існувати лише у вигляді пари, приміром, як сірководень. І хіба що в Антарктиді та десь у Якутії у найлютіші зими випадала б у вигляді дощу!

Але в тім-то й справа, молекула води – не просто арифметична сума двох простих атомів водню та одного – кисню. Це дещо абсолютно нове і за фізичними, і за хімічними властивостями.

Секрет полягає у тому, що всі системи якісно різняться від суми своїх компонентів. Як це пояснити дохідливіше? Що таке дитячий металевий конструктор, ви, безперечно, знаєте. Це набір різноманітних деталей: гайок, гвинтиків, рейок, коліс, тощо. Якщо взяти їх просто у жменю, а потім висипати на стіл, то утвориться купа залізячок і все. А от якщо з’єднати їх у певному порядку, то можна скласти і підйомний кран, і трактор, і автомобіль. Що це буде – залежатиме від того, в якому порядку з’єднати окремі деталі.

Отак із поєднання атомів у молекули. Буває, що хімічний склад у речовин однаковий, а фізичні властивості різні. Найпростіший приклад – графіт і алмаз. Перший такий крихкий, що коли провести ним по паперу, то лишається слід (сам з нього роблять стержні олівців). Другий такий міцний , що ним можна різати навіть скло. І обоє складаються з одного і того самого елемента – вуглецю. Фокус тут у тому, що у алмазу й графіту атоми вуглецю поєднані в молекули у різному порядку.

Два атоми водню та один кисню сполучені у молекулі води так, що на її кінцях утворюються різнойменні електричні заряди. Завдяки цьому молекули притягуються одна до одної, утворюючи щось на зразок ланцюжків. Ланцюжки ці з трьох-чотирьох молекул постійно рвуться і утворюються знову. Вченні вважають, що це одна з причин дивовижних властивостей води.

Комбінація ізотопів, або чому існує 135 різновидів води

Передусім що таке ізотоп? Це різновиди хімічних елементів, які різняться атомною вагою і, як наслідок цього, деякими властивостями.

Існує 9 ізотопів кисню і 5 водню. Поєднуючись у різних комбінаціях у молекулу Н2О, вони утворюють 135 різновидів води! Щоправда, з них лише 9 стабільні – решта дуже швидко розпадаються.

Отож, взявши склянку води, ти п’єш відразу 9 її різновидів. Найбільше – 99% - води протієвої. Назва її походить від протію – ізотопу водню, атомна вага якого дорівнює 1. саме до неї "звикли" всі наземні живі організми – і рослини, і тварини.

Цікаво, що при випаровуванні вода збагачується протієм, і через це дощова вода складом і властивостями відрізняється від води в річках і озерах. Але так званої легкої води – тобто тільки з протієм – в природі не існує. Її можна отримати лише в лабораторних умовах.

"Якщо існує легка, то, напевно, є і важка?" - запитаєте ви. Абсолютно правильно. Це та, до молекули якої входить дейтерій – ізотоп водню із подвійною атомною вагою. Для всього живого вона згубна. Деякі дослідники вважають: дейтерій, який є у незначних кількостях у звичайній воді, прискорює старіння. Але цікаво: поступово змінюючи протій на дейтерій, можна привчити мікроорганізми до важкої води. І тоді вже звичайна стає для них отруйною.

Існують різновиди води з ізотопом Н4 та Н5 .Вони, на щастя, дуже не довговічні – "живуть" лише частки секунди. І це добре, бо вода з ними є надзвичайно сильною отрутою.

Ну, а що буде, коли звичайний кисень у молекулі води замінити на один із його ізотопів? Наприклад, із збільшеною атомною вагою? Утвориться важко киснева вода – сполука, надзвичайно потрібна для дослідження багатьох біологічних і хімічних процесів. Її вже навчилися отримувати у промислових масштабах, але тільки у вигляді концентрованих розчинів. У чистому ж вигляді це поки що не вдається зробити навіть у лабораторних умовах, на відміну від так званої нульової води – з легкого кисню та легкого водню, яку порівняно нескладно "виготовити" за допомогою спеціальних приладів.

Хоч як не дивно, але і звичайна, і важка вода мають однаковий колір, смак, запах. Під дією електричного струму всі вони розкладаються на водень і кисень. Метал натрій у молекулі будь-якої з них витісняє водень. Але у всіх них різні температури кипіння та замерзання.

Хоч ріж ножицями, або розповідь про суху, "гумову", магнітну, срібну й дерягінську воду

Почнемо з чи не найдивовижнішої – дерягінської, названої на честь члена-кореспондента АН України Б. Дерюгіна, який відкрив її. Звичайна вода перетворюється на лід при температурі нуль градусів. Саме тому її взимку не використовують для охолодження автомобільних двигунів: морозної ночі вона замерзає і розриває радіатори. Отож у радіатори заливають антифризи – спеціальні рідини, які мають дуже низьку температуру замерзання.

Та, виявляється, є вода, яка за цією характеристикою не поступається найкращим антифризам, - дерягінська. Вона не замерзає на сильному морозі й лише при -50°С переходить у склоподібний стан. Кипить аж при +300°С, а якщо нагрівати її далі, то при температурі + 700-800°С перетворюється на звичайну. На жаль, у промислових масштабах її виробляти неможливо, бо отримують дерягінську воду, конденсуючи пару звичайної в тонких, мов капіляр, кварцових трубках.

Не менш дивовижних властивостей набуває звичайна вода, опромінена магнітним полем. Змінюються її в’язкість, сила поверхневого натягу, електропровідність, температура кипіння. Різко зростає здатність такої води розчиняти різноманітні речовини. В одній із клінік за допомогою омагнітненої води навіть виводили каміння з нирок та жовчного міхура. Вона розчиняє накип, де його іншими способами усунути майже не вдається – у парових котлах і трубах.

Але найцікавіше те, що на властивості магнітної води впливають пори року. Виявилося: бетон, виготовлений на магнітній воді у січні, на 60% міцніший від виготовленого на звичайній. У жовтні – на 40, у вересні – на 22%, а в травні – лише на 3.

Одне слово, секретів у магнітної води ще чимало, і не лише фізичних, а й біологічних: рослини, які поливають нею, чомусь швидше ростуть і краще плодоносять.

Отже вода - найбільш поширена і найбільш незвичайна речовина на Землі. Лише вода в нормальних земних умовах може перебувати в трьох станах: твердому, рідкому, газоподібному. Перехід води з одного стану в інший потребує затрат тепла (випаровування й танення), або, навпаки, супроводжується виділенням відповідної його кількості (конденсація, замерзання). Для випаровування 1 г води необхідно витратити 2,5 кДж, на танення 1 г льоду - 335 Дж тепла. Поглинання, або виділення тепла при переході з одного агрегатного стану в інший, не впливає на температуру води (льоду).

Унікальні властивості води визначаються здебільшого її структурою, а саме дипольністю її молекули. Когезія — це здатність молекул води зчіплюватись одна з одною. Цим пояснюється поверхневий натяг. Завдяки цьому клоп-водомірка ковзає по поверхні води. Адгезія — здатність молекул води зчіплюватись із молекулами інших речовин. Цим пояснюється підйом води по тонких капілярах, судинах рослин, по паперу, тканині.

Вода — дуже добрий розчинник, це середовище, в якому відбувається велика кількість біохімічних процесів. Але деякі речовини не розчиняються у воді.

Вода у природі не буває хімічно чистою, оскільки вона є сильним розчинником. Вона завжди є газово-сольовим розчином різної концентрації. Збільшення солоності зумовлює зниження температури замерзання, й температури найбільшої густини води. Так, наприклад, при солоності 35 %о (проміле) вода замерзає при температурі -1,9°С, а температура найбільшої густини - 3,5°С. При солоності води понад 35 %о температура найбільшої густини завжди нижча від температури замерзання. Це означає, що така вода при охолодженні стає щільнішою й опускається донизу, а на поверхню у цей час піднімається менш холодна вода.

Вода характеризується великою теплоємністю. Теплоємність води в 3 тис. раз більша, ніж повітря. Це значить, що при охолодженні  води на 1°С можна нагріти аж 3 000 см3 повітря. Звідси зрозуміле значення океану як акумулятора тепла, його пом'якшуючий вплив на клімат. Вода характеризується теплопровідністю. Тому у нагріванні водоймищ головна роль належить перемішуванню води.

Вода має високу теплопровідність — здатність теплоти швидко розповсюджуватись у речовині. У живих істотах постійно відбувається виділення тепла, але локального перегріву немає. У води висока температура кипіння, тобто потрібно багато енергії, щоб відірвати одну молекулу води від іншої. Тому, випаровуючись, вода охолоджує тіло, оскільки разом з водою йде і тепло. Вода має максимальну густину (1 г/см куб) при температурі +4°С.. Хімічно чиста вода має найбільшу густину при температурі 4°С. При охолодженні нижче цієї температури густина води зменшується, а об'єм збільшується. Ця аномалія води відіграє у природі дуже велику роль. При замерзанні водоймищ лід унаслідок зменшення густини залишається на поверхні і захищає воду від подальшого охолодження. Лід має меншу густину, тому плаває на поверхні, а під ним розміщується вода з більшою густиною, яка підтримує життя істот, тобто шар льоду захищає живі організми

Під час охолодження вода розширюється. У кристалах льоду відстань між молекулами води більша, ніж у воді в рідкому стані. Тому вода може пошкоджувати структури клітин, наприклад мембран.

У живій матерії вода — найбільш розповсюджена неорганічна речовина. Людина на 60—65% від маси тіла складається з води. Протоплазма багатьох рослин містить від 85 до 90% води. Гриби складаються на 80% з води, медузи — на 98%, водорості — на 96— 98%, кишковопорожнинні — на 84%, земноводні — на 93% (Ю.Одум, 1986). У живих клітинах вода зустрічається у двох формах: вільна й зв'язана. Завдяки різним властивостям води виникло й розвивалося життя на Землі. Завдяки їм вода відіграє незамінну роль в усіх процесах, які відбуваються в географічній оболонці.

Стосовно ролі води в житті організмів, то еволюція тварин і рослин проходила в двох напрямках: перший — пойкілогідризм, другий — гомойогідризм. Пойкілогідричні рослини мають непостійний вміст води, який значно залежить від вологості навколишнього середовища. Вони не здатні регулювати транспірацію, легко й швидко втрачають і поглинають воду. За відсутності води перебувають у стані анабіозу. Зустрічаються там, де короткі періоди зволоження чергуються з довготривалими періодами посухи. Це синьо-зелені водорості, всі відділи еукаріотичних водоростей (зелені, червоні, діатомові, бурі та ін.), більшість грибів, лишайники, мохи, деякі види вищих рослин. У їх клітинах немає центральної великої вакуолі, і під час зневожування вони рівномірно стискуються, не порушуючи структури мембран.

Гомойогідричні рослини здатні підтримувати відносну сталість кількості води в клітинах. Це більшість вищих наземних рослин. Вони мають велику центральну вакуоль, пагони, вкриті епідермісом з трихомами й кутикулою; транспірація регулюється про-дихами; мають добре розвинену кореневу систему. Проте здатність гомойогідричних рослин регулювати свій водний обмін різна. Серед них виділяють різні екологічні групи за відношенням до вологи: гідратофіти, гідрофіти, гігрофіти, мезофіти та ксерофіти. Останні поділяються, в свою чергу, на сукуленти й склерофіти.