Вода

Вода́ (в химии — оксид водорода, гидроксид водорода; химическая формула — H2O) — химическое вещество, представляющее собой бинарное неорганическое соединение, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединённых между собой ковалентной связью. Вода является продуктом горения (окисления) водорода при реакции с кислородом, но также может выступать конечным результатом и иных химических реакций, таких как горение углеводородов и других органических соединений.

При нормальных условиях вода представляет собой прозрачную жидкость, не имеющую цвета (при малой толщине слоя), запаха и вкуса. При переходе в твёрдое агрегатное состояние вода преобразуется в лёд (кристаллы льда могут образовывать снег или иней), а в газообразное — в водяной пар. Вода также может существовать в виде жидких кристаллов (на гидрофильных поверхностях). Она совершенно не токсична и безопасна для здоровья человека по причине стабильности вещества и негорючести воды (невосприимчивость к горению, наподобие углекислого газа).

Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

Исключительно важна роль воды в глобальном кругообороте вещества и энергииКриволуцкий А. Е. Голубая планета. Земля среди планет. Географический аспект. — М.: Мысль, 1985. — С. 212., возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Она является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле. В среднем, в организме растений и животных содержится более 50 % воды.

Всего на Земле около 1400 млн  воды; она покрывает 71 % поверхности земного шара (океаны, моря, озёра, реки, льды — 361,13 млн Marine Science: An Illustrated Guide to Science). Бо́льшая часть земной воды (97,54 %) принадлежит Мировому океану — это солёная вода, непригодная для сельского хозяйства и питья. Пресная же вода находится в основном в ледниках (1,81 %) и подземных водах (около 0,63 %), и лишь небольшая часть (0,009 %) — в реках и озёрах. Материковые солёные воды составляют 0,007 %, в атмосфере содержится 0,001 % от всей воды планеты Земля. В составе мантии Земли воды содержится в 10—12 раз больше, чем в Мировом океане.

Вода — это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую (кроме воды, таким свойством обладают сурьма, висмут, галлий, германий и некоторые соединения и смеси).

Этимология В письменных источниках слово «вода» встречается ещё в «Изборнике Святослава» (1076 год).

Слово происходит от др.-русск. вода, далее — от праславянского *vodaDerksen, Rick. Etymological Dictionary of the Slavic Inherited Lexicon (ср. ст.-слав. вода, болг. вода́, сербохорв. во̀да, словен. vóda, чеш. voda, слвц. voda, польск. woda, в.-луж., н.-луж. woda), затем — от праиндоевропейского *wed-, родственного лит. vanduõ, жем. unduo, д.-в.-н. waʒʒar «вода», гот. watō, англ. water, греч. ὕδωρ, ὕδατος, арм. գետ «река», фриг. βέδυ, др.-инд. udakám, uda-, udán- «вода», unátti «бить ключом», «орошать», ṓdman- «поток», алб. uj «вода»М. Фасмер. Этимологический словарь русского языка. Вода. Русские слова «ведро», «выдра» имеют тот же корень.

В рамках необщепринятой гипотезы о существовании некогда праностратического языка слово может сравниваться с гипотетическим прауральским *wete (ср., например, фин. vesi, эст. vesi, коми va, венг. víz), а также с предполагаемыми праалтайскими, прадравидийским и прочими словами, и реконструироваться как *wetV для праязыка.

Химические названия

С формальной точки зрения вода имеет несколько различных корректных химических названий: оксид водорода: бинарное соединение водорода с атомом кислорода в степени окисления −2, встречается также устаревшее название «окись водорода»; гидроксид водорода: соединение гидроксильной группы OH и катиона (H); гидроксильная кислота: воду можно рассматривать как соединение катиона H, который может быть замещён металлом, и «гидроксильного остатка» OH; монооксид дигидрогена; дигидромонооксид,

Свойства

Физические свойства Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, тогда как аналогичные водородные соединения других элементов являются газами (HS, CH, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, угол между ними 104,45° (104°27′). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (p= уступает только синильной кислоте и диметилсульфоксиду). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей — две из них образует атом кислорода и две — атомы водорода.

Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при а замерзала при .

Температура, °С Удельная теплоёмкостьводы, кДж/(кг·К)−60 (лёд)1,64−20 (лёд)2,01−10 (лёд)2,220 (лёд)2,110 (чистая вода)4,218104,192204,182404,178604,184804,1961004,216 При переходе в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, при этом объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет меньшую плотность (больший объём) воды в фазе льда. При испарении, напротив, все водородные связи рвутся. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один килограмм воды на один градус, требуется затратить энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель.

Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления при и парообразования

Физические свойства разных изотопных модификаций воды при различных температурахPhysics of Ice (15 страница): МодификацияводыМаксимальнаяплотность притемпературе, °СТройная точка притемпературе, °СН2O3,98340,01D2O11,23,82T2O13,44,49Н218O4,30,31

Вода является хорошим растворителем веществ с молекулами, обладающими электрическим дипольным моментом. При растворении молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды важно для живых существ. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, чем обусловлен нагрев пищевых продуктов в микроволновой печи.

Поверхностное натяжение

Вода имеет необычно высокое поверхностное натяжение равное (при Lide, David R. (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Handbook (84th ed.). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0484-2. Archived from the original on 2024-02-04. Retrieved 2016-05-29., это обусловлено сильными водородными связями между молекулами водыReece, Jane B.; Urry, Lisa A.; Cain, Michael L.; Wasserman, Steven A.; Minorsky, Peter V.; Jackson, Robert B. (2013). Campbell Biology (10th ed.). Boston, Mass.: Pearson. ISBN 978-0-321-77565-8..

Агрегатные состояния

По состоянию различают: «твёрдое» — лёд «жидкое» — вода «газообразное» — водяной пар

При нормальном атмосферном давлении ( вода переходит в твёрдое состояние при температуре в и кипит (превращается в водяной пар) при температуре (значения и были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура кипения воды растётВоскресенский П. И. Техника лабораторных работ. 9-е изд. — Л.: «Химия», 1970. — С. 696—697: Давление, атм. Температура кипения(Ткип), °C0,987 (105 Па —нормальные условия)99,63110021206158218,5374,1

При росте давления плотность насыщенного водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре и давлении (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».

Вода может находиться в метастабильных состояниях — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Также вода может существовать в виде двух разных жидкостей («вторая вода» возникает при температуре около и давлении в тысячи атмосфер), которые при определённых условиях даже не смешиваются друг с другом; гипотеза, что вода может существовать в двух различных жидких состояниях, была предложена примерно 30 лет назад на основе результатов компьютерного моделирования и экспериментально проверена только в 2020 годуНевероятно: у воды есть два жидких состояния // Вести.ру, 21 ноября 2020.

Удельная теплоёмкость +Изобарная теплоёмкость воды при нормальном атмосферном давленииt, °С0101520253035404550556065707580859095100Cp, Дж/(кг·град)42174191418741834179417441744174417741814182418241854187419141954202420842144220 Эти данные можно аппроксимировать эмпирической формулой:

.

Диэлектрическая проницаемость воды Статическая (для постоянного электростатического поля) диэлектрическая проницаемость воды при разной абсолютной температуре при давлении в диапазоне температур выражается эмпирической формулой:

Результаты вычислений по этой формуле: T, K260273283293298303313323333343353363373−1301020253040506070809010093,4187,9984,0880,3278,576,7173,2569,9466,7863,7860,9258,2155,66

Электропроводность воды

При нормальных условиях очень чистая вода или Чистая вода имеет низкую электропроводность, так как слабо диссоциирована на ионы и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов OH− составляет и представляет собой хороший изолятор. При повышении температуры электропроводность воды нарастает и приблизительно удваивается при увеличении температуры на каждые

Электропроводность чистой воды резко увеличивается при растворении в ней даже ничтожного количества вещества, подвергаемого электролитической диссоциации, например, поваренной соли. Поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные вещества, например, соли, то есть, в растворе присутствуют ионы. Поэтому обычная вода хорошо проводит электрический ток. По электропроводности воды можно определить её солесодержание.

Оптические свойства