Химические свойства воды

Вода – термически устойчивое вещество. Она выдерживает нагревание до температуры 1000и лишь при температуре свыше 1000частично разлагается на водород и кислород:

2 Н₂О 2Н₂ + О₂ (2)

Термическое разложение (иначе термическая диссоциация) воды протекает с поглощением теплоты, а поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем больше степень диссоциации. Но все же она очень мала и даже при 2000составляет не более 2% [4].

Вода – весьма реакционное способное вещество. Она реагирует с оксидами многих металлов (Na₂O, CaO и др.) и неметаллов (Cl₂O, [Al₂(SO₄)₃ 18H₂O]), вступает во взаимодействие с активными металлами (Na, K и др.).

Вода – катализатор многих химических реакций, и иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Так, следы воды нужны для взаимодействия натрия с кислородом в атмосфере воздуха, для реакции фтористого водорода со стеклом и хлора с металлами.

С веществами реакционно малоспособными, находящимися обычно в газообразном состоянии, вода образует ряд интересных соединений. Молекулы газообразного вещества проникают в пустоты структуры ассоциатов воды и образуют соединения, называемые соединениями включения или клатратами. Такие соединения неустойчивы и легко разлагаются при повышении температуры. Примеры клатратов являются СН₄ 6 Н₂О, С₂Н₅Cl 15 Н₂О и др.

Тяжелая вода D₂О по своим химическим свойствам заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой, как правило, протекают медленее [4].

Таблица 5 – Химические свойства воды [15]

С простыми веществами

1) с металлами: активный металл* + вода = щелочь + водород 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 металл средней активности** + вода = оксид металла + водород (только при нагревании) Zn + H2O = ZnO + H2 2) с галогенами: (продукты различны) 4F2 + 3H2O = OF2 + 6HF + O2 Cl2 + H2O = HClO + HCl

Со сложными веществами

1) оксидами: оксид активного металла + вода = щелочь СаО + H2O = Са(ОН)2 кислотный оксид + вода = кислота (кроме SiO2) SO3 + H2O = H2SO4 2) c солями: образование кристаллогидратов CuSO4 + 5H2O = CuSO4 5H2O бледно-голубой ярко-синий 3) с гидридами активных металлов: гидрид металла + вода = щелочь + водород КН + H2O = КОН + Н2

*активные металлы – стоящие в ряду напряжений металлов до Mg включительно; **средней активности металлы – стоящие в ряду напряжений металлов от Mg до Pb

Вода – среда жизни

В ходе эволюции вода сыграла решающую роль. Именно водная среда (Мировой океан) явилась тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.

Мировой океан в настоящее время служит важнейшим источником пищевых ресурсов для человечества, поставляя 25% белков животного происхождения [2].

Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Живые существа на Земле содержат в среднем около 70-80% воды, т.е. на ¾ состоят из нее. С химической точки зрения живое вещество – это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.

По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л – жидкая составляющая, плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, - транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л волы в сутки (непосредственно и с пищей). В среднем за свою жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество – почти четвертую часть годового стока всех рек мира. Без воды человек не проживет и недели. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5% воды, а обезвоживание на 15-25% приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти [2].

Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, - биогенного происхождения. Более 150 млрд т кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза – важнейшего биохимического процесса на нашей планете.

Доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода [2]:

¹⁸О _n + ¹⁸O₂ (3)

Формула _n отражает не реальное вещество, а состав углевода.

Установлено, что более точным итоговым уравнением фотосинтеза является уравнение вида:

¹⁸О _n +¹⁸О + ¹⁸O₂ , (4)

из которого следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется [2].

Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на Земле зародился геологический круговорот воды (рисунок 7).

Рисунок 7 – Круговорот воды

Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. По словам В.И.Вернадского, «любое проявление природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник – составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой» [2].

Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т.е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (примерно за 1 млн лет). Таким образом, природная вода – это важный продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков определяются транспирацией.

«Вся масса воды, - писал В.И.Вернадский, - и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее… Картина видимой природы определяется водой…» [2].

Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды. Вода – ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли мирового хозяйства, где бы она не использовалась.

Вода – важнейший техногенный источник получения энергии. Значительный энергетический потенциал заключен в океанических водах – приливах, температурной разности вод, морских течениях. В настоящее время пятую часть вырабатываемой в мире электроэнергии дают гидроэлектростанции. На тепловых и атомных электростанциях (ТЭС и АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины, связанные с электрогенераторами [2].