Voda, chemickým vzorcem H2O, systematický název oxidan Novela názvosloví organické chemie – přehled změn – bod 3.2, je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Spolu se vzduchem, resp. zemskou atmosférou, tvoří základní podmínky pro existenci života na Zemi. Za normální teploty a tlaku je to bezbarvá, čirá kapalina bez zápachu, v silnější vrstvě namodralá. V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích: v pevném – led a sníh, v kapalném – voda a v plynném – vodní pára. náhled|250px|Ledovec; zde se nacházejí tři skupenství vody pohromadě
Název Systematicky se voda nazývá „oxidan“ (od názvosloví IUPAC 93 Názvosloví vycházející z jiných hydridů), vycházející z toho, že se jedná o anorganický Stručné základy názvosloví organických sloučenin jednojaderný hydrid Chemické názvosloví a názvy lékových forem v ČL 2002 (proto končí na příponu „-an“ Předmluva ). IUPAC uvádí ve svých názvoslovných doporučeních i anglický systematický název „dihydrogen oxide“, obdobný český název „oxid vodný“ se v odborné literatuře nepoužívá. I v odborném jazyce se však používalo a používá triviální označení „voda“.
Fyzikální vlastnosti
vlevo|náhled|Geometrie molekuly vody náhled|Vodíkové vazby (1) mezi molekulami vody Mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti vody jsou důsledkem geometrie její molekuly. Atomy v ní vázané nejsou uspořádány lineárně (v jedné přímce), ale chemické vazby mezi atomy svírají úhel přibližně 105 °. Polaritě vazeb (různé afinitě atomů vodíku a kyslíku) a zmíněné nelinearitě molekuly vděčí molekula vody za svoji polaritu. Vlastnosti molekul způsobují dobrou rozpustnost polárních a iontových látek ve vodě, jsou důvodem vysoké elektrické permitivity vody a díky jejich schopnosti zapojovat se do vodíkových vazeb (zvané též vodíkové můstky) jsou důvodem i významné hustotní anomálie vody.
Izotopické složení Přirozená voda na Zemi obsahuje nejen izotop lehkého vodíku a kyslíku , ale také těžší stabilní izotopy těchto prvků a v nepatrné míře i nestabilní (radioaktivní) tritium. Standard oceánské vody (VSMOW), používaný jako etalon pro kalibraci přístrojů pro měření izotopového složení vody a jiných materiálů, obsahuje na 1 mol vodíku 1H 0,15576 mmol deuteria 2H a na 1 mol kyslíku 16O 0,3799 mmol kyslíku 17O a 2,0052 mmol kyslíku 18O. Přirozená voda mimo oceány může mít zastoupení těžkých izotopů nižší, ale ne tak, aby to způsobilo významnou rozdílnost fyzikálních vlastností.
Uměle lze vytvořit izotopicky jednotné formy vody, z nichž některé mají své zvláštní jméno. Podle počtu neutronů v atomu vodíku rozlišujeme izotopology lehkou vodu (oba vodíky jsou tzv. protia, chemický vzorec je 1H2O), polotěžkou vodu (jeden vodík je protium a jeden deuterium, vzorec se dá zapsat jako HDO), těžkou vodu (oba vodíky jsou deuteria, vzorec je 2H2O, ale dá se také zapsat jako D2O; voda vyrobená z těžkých atomů vodíku, v přírodě se nachází zcela běžně ve směsi s normální vodou v nízké koncentraci, těžká voda sloužila ke konstrukci prvních atomových reaktorů) a tritiovou vodu (zvána též supertěžká voda, kdy jeden nebo oba vodíky jsou radioaktivně nestabilním tritiem (, běžně se značí T). Vodu lze také obohatit o těžší izotopy kyslíku a .
Jednotlivé izotopicky jednotné formy se vzájemně znatelně liší svými fyzikálními a dokonce i některými chemickými vlastnostmi (protože odlišná hmotnost jádra má částečný vliv i na vazebnou energii elektronů v atomovém obalu). Těžká voda má např. vyšší hustotu, body tání a varu a pH než voda lehká. Hustota vody s kyslíkem 18O je podobná hustotě těžké vody, voda s kyslíkem 17O je hustotou podobná vodě polotěžké.
Následující fyzikální vlastnosti se proto týkají pouze přirozeného izotopického složení (pokud není uvedeno jinak) a nelze je vztahovat na izotopicky čisté formy vody, zejména ne na ty s těžkými izotopy vodíku či kyslíku. náhled|250px|Kapka vody
Hustota Největší hustotu nemá led, ale tekutá voda při 3,95 °C, dalším snižováním teploty se objem jednotkové hmotnosti vody zase zvětšuje. Je to způsobeno polymerizací vodních molekul vodíkovými vazbami a úhlem mezi atomy vodíku – díky tomu může mít molekula v ledu pouze 4 nejbližší sousedy a v krystalové struktuře vznikají prázdné prostory. Tato zvláštnost má např. tyto důsledky: Led se tvoří na povrchu vodních ploch a tím nezmrzlou vodu izoluje, voda tolik nepromrzá do hloubky, přičemž voda o teplotě 3,95 °C se hromadí na dně vodních ploch. Tato skutečnost je velmi důležitá pro přežití vodních organismů. Tento proces urychluje zvětrávání – voda zvětšující svůj objem „trhá“ horniny a další látky. Zvětšování objemu má význam pro rostliny a zemědělství – při mrznutí dochází ke kypření ornice.
Povrchové napětí a viskozita náhled|Důsledek povrchového napětí +povrchové napětí a viskozita teplota °C povrchové napětí mN/mviskozitamPa·s075,61,781074,21,312072,81,003071,20,805067,90,5510058,90,28
Tepelná vodivost
teplota ve °Ctepelná vodivost ve W/(m.K) −20kapalina: 0,523, led: 2,43 0kapalina: 0,564, led: 2,22 100,584 200,597 300,618 500,645 800,670 1000,682
Termodynamické vlastnosti náhled|400px|Fázový diagram vody znázorňující závislost existence skupenství na tlaku a teplotě. Jde o starší verzi grafu, v novější verzi není v oblasti extrémních tlaků (nad ledem X) led XI, který nebyl experimentálně prokázán Měrná tepelná kapacita (specifické teplo) je u vody zhruba třikrát až desetkrát (desetkrát u železa) větší než u většiny ostatních látek, jako jsou horniny, železo, hliník, atd. Proto má voda svou tepelnou setrvačností velký klimatický vliv a s výhodou se používá k transportu tepla (např. ústřední topení).
Skupenské přeměny charakterizuje fázový diagram vody, který je ve zjednodušené podobě uveden na obrázku. Ve skutečnosti existuje pevné skupenství vody, tedy led, v mnoha různých fázích, lišících se krystalovou strukturou a fyzikálními vlastnostmi.
O fázovém přechodu mezi kapalným a pevným skupenstvím podrobněji pojednává odstavec hustota. Pro zmrznutí vody je podmínkou, aby v kapalině existovala krystalizační centra. Proto je možné, aby čistá a ustálená voda byla podchlazena i pod teplotu tuhnutí nebo aby horká voda zmrzla rychleji než ustálená voda studená (Mpembův jev). K náhlému zmrznutí podchlazené vody stačí i mechanický podnět (zatřesení, vhození tělíska).
Specifická skupenská tepla (tání a varu) – V tomto parametru je voda naprosto neobvyklá. Vysoké výparné teplo umožňuje efektivní ochlazování teplokrevných obratlovců, jako je člověk – bez pocení by nepřežili.
Bod varu – Obecný trend v periodické tabulce prvků je takový, že s rostoucí hmotností se zvyšuje teplota varu. Nicméně vodíkové můstky mají větší vliv na teplotu varu než hmotnost dané látky a že voda a všechny sloučeniny s vodíkem v druhé periodě – B2H6, CH4, NH3 a HF – jsou výjimkou v tomto trendu. + Bod varu sloučenina teplotaH2O100 °CH2S −60 °CH2Se −41 °CH2Te −2 °CH2Po 36 °C
+ Další vybrané termodynamické vlastnostimolární slučovací entalpieΔfH0g −241,83 kJ/molΔfH0l −285,83 kJ/molΔfH0s−291,8 kJ/molmolární entropieS0g, 0,1 MPa 188,84 J/(mol.K)S0l, 0,1 MPa69,95 J/(mol.K)S0s41 J/(mol.K) Dolní indexy: f – slučování; g – plyn; l – kapalina; s – pevná látka; horní index: 0 – standardní
Elektrické vlastnosti Voda je výjimečná vysokou permitivitou (relativní permitivita je přibližně 80).
Chemicky čistá voda je velmi slabě elektricky vodivá, ale i malé množství rozpustných příměsí výrazně zvyšuje její vodivost, až řádově. Protože se běžně setkáváme spíše s vodou ne úplně destilovanou, lze tvrzení obrátit: s poklesem koncentrace iontů příměsí vodivost vody klesá, s jejich úplným odstraněním dokonce prudce. Čistá voda je ovšem extrémní situace: i proto ji přes její velkou schopnost polarizace do kondenzátorů nepoužíváme.
Nestlačitelnost Skutečná stlačitelnost vody, stejně jako všech reálných kapalin, není úplně nulová. Nicméně tato hodnota je natolik malá, že se běžně zanedbává.
Chemické vlastnosti náhled|Model molekuly vody Voda vzniká prudkým až explozivním slučováním vodíku s kyslíkem (hořením bezbarvým plamenem) podle rovnice:
2H2 + O2 → 2H2O,
za vývinu velkého množství tepla (exotermní reakce). Kromě toho vzniká jako vedlejší produkt vedle solí při neutralizaci kyselin zásadami, např.
HCl + NaOH → H2O + NaCl.
Voda je obsažena ve spalných plynech při hoření většiny organických látek, např. methanu
CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2,
nebo oktanu (hlavní složky benzínu)
2C8H18 + 25O2 → 18H2O + 16CO2.
Vodné roztoky mohou vykazovat kyselou, neutrální nebo zásaditou reakci. Kyselost (acidita) a zásaditost (bazicita) se vyjadřuje ve stupnici hodnot pH. Rozsah stupnice je od 0 do 14 pH, přičemž hodnotě pH 7 odpovídá roztok neutrální. Hodnoty nižší označují roztok kyselý, hodnoty vyšší zásaditý čili alkalický. Vody kyselé jsou obvykle bez života, protože se v nich nevytváří plankton ani baktérie.
Tvrdost vody
Veličina nejčastěji udávající koncentraci kationtů vápníku a hořčíku ve vodě. Definice tvrdosti vody je však nejednotná, někdy se tak označuje koncentrace dvojmocných kationtů vápníku, hořčíku, stroncia a barya nebo všech kationtů s nábojem větším než jedna. Vzhledem k této nejednotnosti se moderní hydrochemie termínu tvrdost vody snaží vyhýbat. V praxi mnoha oborů, například akvaristiky, se však pojem tvrdost vody stále často užívá.
Voda v přírodě
Rozšířením vody na Zemi a jejím pohybem se zabývá hydrologie, pohyb vody v zemské atmosféře zkoumá též meteorologie. Výskyt vody na naší planetě je mnohem vyšší než na ostatních planetách sluneční soustavy. Při pohledu z vesmíru vypadá Země jako modrobílá planeta: bílá od vodní páry a modrá od vody. A zákonitě všechny formy života (tak, jak ho známe) závisejí na vodě. Část zemského povrchu s obsahem vody v kapalném skupenství nazýváme hydrosféra.
Většinu povrchu Země (71 %) pokrývá slaná voda moří a oceánů, jež tvoří 97 % celého vodstva na naší planetě. Obsahuje průměrně 35 g solí v jednom litru. Z toho 77,8 % chloridu sodného (NaCl), 10,9 % chloridu hořečnatého (MgCl2) a další soli jako síran hořečnatý, síran vápenatý, síran draselný a jiné.
Sladká voda tvoří jen nepatrnou část hydrosféry – 3 %, přičemž 69 % této vody je v ledovcích, které jsou v polárních oblastech. Dalších 30 % je voda podzemní a jen necelé procento tvoří voda povrchová a atmosférická. náhled|Schéma stojatých vod: 1. déšť, 2. stojatá voda, 3. nepropustné podloží.
Forma množství (mil. km³) procent z celku Moře a oceány 1 370 97,25 % Ledovce 29 2,05 % Spodní voda 0,5 0,68 % Jezera 0,125 0,01 % Půdní vlhkost 0,065 0,005% V atmosféře 0,018 0,001% Řeky 0,0017 0,0001 % Biosféra 0,0006 0,000004 % CelkemM. Kravčík et al., Water for the recovery of the climate. Praha 2008, str. 17. 1 409 100 %
Koloběh vody na kontinentech začíná srážkami. Jakmile dopadnou z mraků na povrch, mohou putovat třemi cestami: zpravidla víc než 50 % (někdy i 100 %) se znovu vypaří méně než 30%, většinou 10 % – 20 %, steče do potoků, řek a nakonec do moře 10 % a méně (ale také nic) se může vsáknout.
Množství kyslíku rozpuštěného ve vodě nepřesahuje maximální koncentraci 14 mg kyslíku na litr vody při teplotě 4 °C, s rostoucí teplotou pak množství kyslíku klesá, a tak voda o teplotě například 20 °C obsahuje pouze 9 mg kyslíku na litr.
Výskyt vody ve vesmíru Voda je druhá nejčastější látka ve vesmíru.
Ve vesmíru se velké množství vody nachází v molekulárních mračnech v mezihvězdném prostoru. Také protoplanetární mlhovina, ze které vzniklo Slunce a celá sluneční soustava, obsahovala velké množství vody, z níž část se zachovala v Oortově oblaku, kde se z ní zřejmě ještě dnes tvoří nové komety. Jádra komet obsahují desítky procent vody. Podle jedné z teorií právě komety zanesly na Zemi většinu vody, která zde v současnosti je.
Také některé měsíce planet, tělesa Kuiperova pásu a transneptunická tělesa jsou převážně tvořena vodou v pevném skupenství. Velký podpovrchový oceán vody se předpokládá na Jupiterově měsíci Europa.