вода

ВОДА (оксид водорода) H₂O

мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Распространение в природе. В. — одно из самых распространенных на Земле соединений. Молекулы В. обнаружены в межзвездном пространстве. В. входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников. Количество В. на поверхности Земли оценивается в 1,39∙10¹⁸ т, большая часть ее содержится в морях и океанах. Количество доступных для использования пресных В. в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 2∙10⁴ т. Масса ледников Антарктики, Антарктиды и высокогорных районов 2,4∙10¹⁶т, примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая их часть — пресные. В глубинных слоях Земли содержится значительно больше (повидимому, не менее, чем на порядок) В., чем на поверхности. В атмосфере находится ок. 1,3∙10¹³ т В. Вода входит в состав мн. минералов и горных пород (глины, гипс и др.), присутствует в почве, является обязат. компонентом всех живых организмов.

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей В. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): ¹H₂¹⁶O — 99,13; ¹H₂¹⁸O — 0,2; ¹H₂¹⁷0-0,04; ¹H²O¹⁶O-0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в В. в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в В. содержится небольшое количество радиоактивного ³H₂ (или Т₂O). Изотопный состав прир. В. разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение ¹Н/²Н: в пресных В. — в среднем 6900, в морской В.-5500, во льдах — 5500–9000. По физ. свойствам D₂O заметно отличается от обычной В. (см. тяжёлая вода). В., содержащая ¹⁸O, по свойствам ближе к В. с ¹⁶O.

Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле В. расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи O—H 0,0957 нм; валентный угол Н—О—Н 104,5°; дипольный момент 6,17∙10⁻³⁰ Кл∙м; поляризуемость молекулы 1,45∙10⁻³ нм³; средний квадрупольный момент — 1,87∙10⁻⁴¹ Кл∙м², энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ. При взаимодействии молекулы В. с др. атомами, молекулами и ионами, в т. ч. с другими молекулами В. в конденсир. фазах, эти параметры изменяются.

Некоторые параметры, характеризующие свойства В. в разных агрегатных состояниях при атм. давлении, приведены ниже (см. также табл. 1 и рис. 1, на котором указаны области существования разл. модификаций льда):

Физ. свойства В. аномальны. Плавление льда при атм. давлении сопровождается уменьшением объема на 9%. Температурный коэф. объемного расширения льда и жидкой воды отрицателен при температурах соотв. ниже −210 °C и 3,98 °C. Теплоемкость C⁰ при плавлении возрастает почти вдвое и в интервале 0–100 °C почти не зависит от температуры (имеется минимум при 35 °C). Минимум изо-термич. сжимаемости (44,9∙10⁻¹¹ Па⁻¹), наблюдаемый при 46 °C, выражен довольно четко. При низких давлениях и температурах до 30 °C вязкость В. с ростом давления падает. Высокие диэлектрич. проницаемость и дипольный момент В. определяют ее хорошую растворяющую способность по отношению к полярным и ионогенным веществам. Благодаря высоким значениям С°, и вода-важный регулятор климатич. условий на земле, стабилизирующий температуру на ее поверхности. Кроме того, близость угла Н—О—Н к тетраэдрическому (109° 28') обусловливает рыхлость структур льда и жидкой воды и, как следствие, аномальную зависимость плотности от температуры. Поэтому не промерзают до дна крупные водоемы, что делает возможным существование в них жизни.

^{Табл. 1 — СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА, НАХОДЯЩИХСЯ В РАВНОВЕСИИ}

_{Рис. 1. Фазовая диаграмма воды.}

Взаимодействие между молекулами воды. Структура конденсированных фаз. Молекулы В., обладая значит. ди-польным моментом, сильно взаимод. друг с другом и полярными молекулами др. веществ. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, F, Cl, S и др. В водяном паре при невысоких температурах и умеренных давлениях присутствует небольшое количество (ок. 1% при температуре кипения и атм. давлении) димеров В. (для них ~ 15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода ~ 0,3 нм. В конденсиров. фазах каждая молекула В. образует четыре водородные связи: две — как донор протонов и две — как акцептор протонов. Средняя длина этих связей в кристаллич. модификациях льда и кристаллогидратах ок. 0,28 нм. Угол О—Н...О стремится к 180°. Четыре водородные связи молекулы В. направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 2).

Структура модификаций льда представляет собой трехмерную сетку. В плотных модификациях VI-VIII, устойчивых при высоких давлениях, можно даже выделить две такие сетки, "вставленные" одна в другую. В модификациях, существующих при низких давлениях (льды Ih и Iс), связи Н—О—Н почти прямолинейны и направлены к вершинам практически правильного тетраэдра. В модификациях II-VI связи искривлены и углы между ними отличаются от тетраэдрического, что обусловливает увеличение плотности по сравнению с плотностью обычного льда.

_{Рис. 2. Схема тетраэдрич. координации молекулы воды; сплошные линии — ковалентные связи; пунктирные линии — водородные связи.}

Но плотность модификаций II-VI значительно ниже той, которой мог бы обладать лёд при плотной упаковке молекул. Только в модификациях VII и VIII достигается достаточно высокая плотность упаковки: в их структуре две правильные сетки, построенные из тетраэдров (аналогичные существующим в кубич. низкотемпературном льде Iс, изоструктурном алмазу), вставлены одна в другую; при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей, а координац. число по кислороду удваивается и достигает 8. Расположение атомов кислорода во льдах VII и VIII подобно расположению атомов в α-железе и многих др. металлах. В обычном (Ih) и кубическом (Iс) льдах, а также во льдах HI, V-VII ориентация молекул не определена: оба ближайших к атому О протона образуют с ним ковалентные связи, которые м. б. направлены к любым двум из четырех соседних атомов кислорода в вершинах тетраэдра. Диэлектрич. проницаемость этих модификаций высока (выше, чем у жидкой В.). Модификации II, VIII и IX ориентационно упорядочены; их диэлектрич. проницаемость низка (ок. 3). Лед VIII представляет собой упорядоченный по размещению протонов вариант льда VII, а лед IX — льда III. Плотности ориентационно упорядоченных модификаций (VIII, IX) близки к плотностям соответствующих неупорядоченных (VII, III).

Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой В. во всем интервале от температуры плавления до критической. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с ростом температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. С др. стороны, при нагр. средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности В. при 3,98 °C.

Химические свойства. Лишь незначит. доля молекул (при 25 °C — примерно 1 на 5∙10⁹) подвергается электролитич. диссоциации по схеме: H₂OH⁺ + OH⁻. Протон H⁺ в водной среде, взаимодействуя с молекулами В., образует H₃O⁺ , объединяющийся с 1 молекулой H₂O в H₅O₂⁺. Расстояние О...О в таких комплексах заметно короче длины нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но поскольку протон, по-видимому, находится не точно посредине этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, можно считать, что в В. существует гидратированный ион оксония H₃O⁺. Это явление играет большую роль в хим. процессах, происходящих в разл. системах, в т. ч. биологических. В частности, диссоциация В. — причина гидролиза солей слабых кислот и (или) оснований. Концентрация ионов H⁺ и связанная с ней концентрация ионов OH⁻ — важные характеристики водных растворов (см. водородный показатель). Степень электролитич. диссоциации В. заметно возрастает при повышении температуры.

Образование В. из элементов по реакции H₂ + ¹/₂O₂H₂O (H⁰_обр −242 кДж/моль для пара и −286 кДж/моль для жидкой В.) при низких температурах в отсутствие катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550 °C она происходит со взрывом. При снижении давления и возрастании температуры равновесие сдвигается влево. Степень термич. диссоциации В. (%) при 100 кПа: 0,034 (1015 °C), 0,74 (1711 °C), 8,6 (2215 °C) и 11,1 (2483 °C). Под действием УФ-излучения происходит фотодиссоциация В. на ионы H⁺ и OH⁻. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз В. с образованием H₂, H₂O₂ и своб. радикалов ; радиац. выход — примерно 4 распавшиеся молекулы на каждые 1,6∙10⁻¹⁷ Дж поглощенной энергии излучения.

В. — реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: H₂O + О → H₂O₂. При взаимодействии В. с F₂ образуются HF, а также О, O₂, O₃, H₂O₂, F₂O и др. соединения. С остальными галогенами при низких температурах В. реагирует с образованием смеси кислот HHal и НHalO. При обычных условиях с В. взаимод. до половины растворенного в ней Cl₂ и значительно меньшие количества Br₂ и 1₂. При повыш. температурах хлор и бром разлагают В. с образованием HHal и O₂. При пропускании паров В. через раскаленный уголь она разлагается и образуется т. наз. водяной газ: H₂O + С CO + H₂. При повыш. температуре в присутствии катализатора В. реагирует с CO, CH₄ и др. углеводородами, напр.: H₂O + CO CO₂ + H₂ (кат. Fe); H₂O + CH₄ CO + ЗH₂ (кат. Ni или Со). Эти реакции используют для пром. получения H₂. Перспективны для его производства также термохим. способы разложения В. (см. водород, водородная энергетика). Фосфор при нагр. с В. под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту: 6H₂O + ЗР → 2HPO₃ + 5H₂. Вода взаимод. со мн. металлами с образованием H₂ и соответствующего гидроксида. Со щелочными и щел.-зем. металлами (кроме Mg) эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают В. при повышенной температуре, напр. Mg и Zn-выше 100 °C, Fe — выше 600 °C (2Fe + ЗH₂O → Fe₂O₃ + 3H₂). При взаимодействии с В. многих оксидов образуются кислоты или основания. В. может служить катализатором, напр. щелочные металлы и водород реагируют с хлором только в присутствии следов В. Иногда В. — каталитич. яд, напр. для железного катализатора при синтезе NH₃.

Способность молекул В. образовывать трехмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, CO₂, Cl₂, (CH₂)₂O, CHCl₃ и многими др. веществами т. наз. газовые гидраты.

Вода как растворитель. В. хорошо растворяет мн. полярные и диссоциирующие на ионы вещества. Обычно растворимость возрастает с увеличением температуры, но иногда температурная зависимость имеет более сложный характер. Так, растворимость мн. сульфатов, карбонатов и фосфатов при повышении температуры уменьшается или сначала повышается, а затем проходит через максимум. Растворимость малополярных веществ (в т. ч. газов, входящих в состав атмосферы) в В. низкая и при повышении температуры обычно сначала снижается, а затем проходит через минимум. С ростом давления растворимость газов возрастает, проходя при высоких давлениях через максимум. Многие вещества, растворяясь в В., реагируют с ней. Например, в растворах NH₃ могут присутствовать ионы NH₄ (см. также гидролиз). Между растворенными в В. ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в хим. реакции, и молекулами В. существуют не разрушающие их ион-дипольные и межмол. взаимодействия (см. гидратация).

Природная вода. Представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минер. вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в т. ч. микроорганизмы. По величине минерализации (г/л) различают след. природные В.: ультрапресные — до 0,2, пресные — 0,2–0,5, слабоминерализованные — 0,5–1,0, солоноватые — 1–3, соленые — 3–10, с повыш. соленостью — 10–35, переходные к рассолам — 35–50, рассолы — более 50. Макрокомпонентами прир. В. обычно являются Ca, Mg, Na, К, Fe (катионогенные В.), Si, С, S, C1 (анионогенные В.). К микрокомпонентам прир. В. относятся редкие и рудные элементы, напр. В, Li, Rb, Cu, Zn, Bi, Be, W, U, Br, I и др.

Осн. газы, содержащиеся в прир. В., — CO₂, N₂ (характерны как для поверхностных, так и для глубинных условий), CH₄, CO, H₂ (более типичны для подземных В. и для В. вулканич. активных областей). Растворенные в В. компоненты находятся в равновесии, образуя комплексы разл. состава. Данные о составе некоторых прир. В. приведены в табл. 2.

^{Табл. 2 — СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД}

Питьевая вода. Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой В. должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) — не более 3. Концентрация хим. веществ, которые встречаются в прир. В. или добавляются к В. при ее обработке (см. водоподготовка), не должна превышать (мг/л):

Содержание примесей, которые влияют на органолептич. свойства В. и встречаются в прир. В. или добавляются к В. при ее обработке, не должно превышать (мг/л):

Общая жесткость питьевой В. должна быть не выше 7,0 ммоль/л, сухой остаток — 1000 мг/л, pH — от 6,0 до 9,0. Для питьевой В., подаваемой без спец. обработки, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологич. службы допускаются след. показатели: сухой остаток — до 1500 мг/л, общая жесткость — до 10 ммоль/л, содержание железа и марганца — соотв. до 1 и до 0,5 мг/л.

Техническая вода. В., расходуемую пром. предприятиями, принято наз. технической. Ее применяют гл. обр. в качестве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпучих материалов (напр., гидротранспорт золы на тепловых электростанциях), растворителя и др. В целом по всем отраслям промышленности 70–75% от общего расхода В. применяют как хладагент по циркуляц. схеме. В этом случае В. лишь нагревается и практически не загрязняется. Главные источники загрязнения охлаждающей В. систем циркуляц. водоснабжения — В., добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атм. воздух, из к-poro вымываются в охладителях В. взвешенные вещества и газы, растворимые в воде.

Осн. ионами, которые могут приводить к отложениям минер. солей в системах циркуляц. водоснабжения, являются анионы НCO₃⁻, CO₃²⁻, OH⁻, SOl₄²⁻, PO₄³⁻, SiO₃²⁻, а также катионы Ca²⁺, Mg²⁺ , Fe^2+,3+ , A1³⁺ , Zn²⁺. Наиб. часто встречающийся компонент солевых отложений — CaCO₃ (см. жесткость воды). Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды H₂SO₄ или HCl, ее рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими CO₂), действием полифосфатов (NaPO₃)₆ и Na₅P₃O₁₀, орг. фосфатов и др. Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в В. добавляют ингибиторы коррозии: полифосфаты, ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей и др. Для предупреждения обрастания оборудования бактериями В. в основном хлорируют (содержание Cl₂ до 5 мг/л), а иногда озонируют.

Лечебные воды. В качестве лечебных применяют прир. В., содержащие значит. количество минер. солей, газы, некоторые элементы и др. (подробнее см. минеральные воды).

^{Лит.: Хорн Р., Морская химия, пер. с англ., М., 1972; Эйзенберг Д., Кауцман В., Структура и свойства воды, пер. с англ., Л., 1975; Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, М., 1957 Алекин О. А., Основы гидрохимии, Л., 1970; Синюков В. В., Структура одноатомных жидкостей, воды и водных растворов электролитов, М., 1976; Унифицированные методы исследования качества вод, ч. 1, кн. 2–3. Методы химического анализа вод, М., 1977; Кульский Л.А., Даль В.В., Чистая вода и перспективы ее сохранения, К., 1978; Возная Н. Ф., Химия воды и микробиология, 2 изд., М., 1979; Перельман А.И., Геохимия природных вод, М., 1982; Маленков Г. Г., в кн.: Физическая химия. [Ежегодник], М., 1984, с. 41–76.}

_{Г. Г. Маленков, С. В. Яковлев, В. А. Гладков}