Вода і її властивості фізичні і хімічні. Структура води

Найважливіше, унікальне за властивостями і складом речовина нашої планети - це, звичайно, вода. Адже саме завдяки їй на Землі життя є, в той час як на інших відомих сьогодні об`єктах Сонячної системи її немає. Тверда, рідка, у вигляді пари - вона потрібна і важлива будь-яка. Вода і її властивості складають предмет вивчення цілої наукової дисципліни - гідрології.

Кількість води на планеті

Якщо розглядати показник кількості даного оксиду у всіх агрегатних станах, то його на планеті близько 75% від загальної маси. При цьому слід враховувати пов`язану воду в органічних сполуках, живих істот, мінералах і інших елементах.

Якщо враховувати тільки рідкий і твердий стан води, показник впаде до 70,8%. Розглянемо, як розподіляються ці відсотки, де міститься розглядається речовина.

1. Солоної води в океанах і морях, солонцюватих озерах на Землі 360 млн км².
2. Прісна вода розподілена нерівномірно: її в льодовиках Гренландії, Арктики, Антарктиди заковане в льоди 16,3 млн км².
3. У прісних річках, болотах і озерах зосереджено 5,3 млн км² оксиду водню.
4. Підземні води складають 100 млн м³.

Саме тому космонавтам з далекого космічного простору видно Землю у формі кулі блакитного кольору з рідкісними вкрапленнями суші. Вода і її властивості, знання особливостей будови є важливими елементами науки. До того ж, останнім часом людство починає відчувати явну нестачу прісної води. Може бути, такі знання допоможуть у вирішенні даної проблеми.

Склад води і будова молекули

Якщо розглянути ці показники, то відразу стануть зрозумілі і властивості, які проявляє це дивовижне речовина. Так, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню, тому має емпіричну формулу Н₂О. Крім того, при побудові самої молекули велику роль відіграють електрони обох елементів. Подивимося, що собою представляють структура води і її властивості.

Очевидно, що кожна молекула орієнтована навколо іншої, і всі разом вони формують загальну кристалічну решітку. Цікаво те, що оксид побудований у формі тетраедра - атом кисню в центрі, а дві пари електронів його і два атоми водню навколо асиметрично. Якщо провести через центри ядер атомів лінії і з`єднати їх, то вийде саме тетраедричних геометрична форма.

Кут між центром атома кисню і ядрами відрядив становить 104,5 ⁰С. Довжина зв`язку О-Н = 0,0957 нм. Наявність електронних пар кисню, а також його більше в порівнянні з воднем спорідненість до електрону забезпечують формування в молекулі негативно зарядженого поля. На противагу йому ядра відрядив утворюють позитивно заряджену частину з`єднання. Таким чином, виходить, що молекула води - диполь. Це визначає те, якою може бути вода, і її фізичні властивості також залежать від будови молекули. Для живих істот ці особливості грають життєво важливу роль.

Основні фізичні властивості

До таких прийнято відносити кристалічну решітку, температури кипіння і плавлення, особливі індивідуальні характеристики. Всі їх і розглянемо.

1. Будова кристалічної решітки оксиду водню залежить від агрегатного стану. Воно може бути твердим - лід, рідким - основна вода при звичайних умовах, газоподібним - пар при підвищенні температури води понад 100 ⁰С. Красиві візерункові кристали формує лід. Решітка в цілому пухка, але з`єднання дуже міцне, щільність низька. Бачити її можна на прикладі сніжинок або морозних візерунків на склі. У звичайної води решітка не має постійної форми, вона змінюється і переходить з одного стану в інший.
2. Молекула води в космічному просторі має правильну форму кулі. Однак під дією земної сили тяжіння вона спотворюється і в рідкому стані приймає форму судини.
3. Те, що за структурою оксид водню - диполь, зумовлює такі властивості: висока теплопровідність і теплоємність, яка простежується в швидкому нагріванні і боргом охолодженні речовини, здатність орієнтувати навколо себе як іони, так і окремі електрони, з`єднання. Це робить воду універсальним розчинником (як полярним, так і нейтральним).
4. Склад води і будова молекули пояснюють здатність цього з`єднання утворювати множинні водневі зв`язку, в тому числі з іншими сполуками, що мають неподіленого електронні пари (аміак, спирт та інші).
5. Температура кипіння рідкої води - 100⁰З, кристалізація настає при +4⁰С. Нижче цього показника - лід. Якщо ж збільшувати тиск, то температура кипіння води різко зросте. Так, при високих атмосферах в ній можна розтопити свинець, але вона при цьому навіть не закипить (понад 300⁰С).
6. Властивості води дуже значимі для живих істот. Наприклад, одне з найважливіших - поверхневий натяг. Це формування найтоншої захисної плівки на поверхні оксиду водню. Йдеться про воду в рідкому стані. Цю плівку розірвати механічним впливом дуже складно. Вченими встановлено, що знадобиться сила, рівна вазі в 100 тонн. Як її помітити? Плівка очевидна, коли вода капає з крана повільно. Видно, що вона немов у якійсь оболонці, яка розтягується до певної межі і ваги і відривається у вигляді круглої крапельки, злегка спотвореної силою тяжіння. Завдяки поверхневому натягу багато предметів можуть перебувати на поверхні води. Комахи, які мають особливі пристосування, можуть вільно пересуватися по ній.
7. Вода і її властивості аномальне і унікальні. За органолептичними показниками дане з`єднання - безбарвна рідина без смаку і запаху. Те, що ми називаємо смаком води, - це розчинені в ній мінерали і інші компоненти.
8. Електропровідність оксиду водню в рідкому стані залежить від того, скільки і яких солей в ньому розчинені. Дистильована вода, яка не містить ніяких домішок, електричний струм не проводить.

Лід - це особливий стан води. У структурі цього її стану молекули пов`язані один з одним водневими зв`язками і формують красиву кристалічну решітку. Але вона досить нестійка і легко може розколотися, розтанути, тобто деформуватися. Між молекулами зберігається безліч порожнеч, розміри яких перевищують розміри самих частинок. Завдяки цьому щільність льоду менше, ніж рідкого оксиду водню.

Це має велике значення для річок, озер та інших прісних водойм. Адже в зимовий період вода в них не замерзає повністю, а лише покривається щільною кіркою легшого льоду, спливаючого наверх. Якби ця властивість не було характерно для твердого стану оксиду водню, то водойми промерзали б наскрізь. Життя під водою була б неможлива.

Крім того, твердий стан води має велике значення як джерело величезної кількості питних прісних запасів. Це льодовики.

Особливим властивістю води можна назвати явище потрійний точки. Це такий стан, при якому лід, пар і рідина можуть існувати одночасно. Для цього потрібні такі умови, як:

• високий тиск - 610 Па;
• температура 0,01⁰С.

Показник прозорості води варіюється в залежності від сторонніх домішок. Рідина може бути повністю прозорою, опалесцентной, каламутній. Поглинаються хвилі жовтого і червоного кольорів, глибоко проникають промені фіолетові.

Хімічні властивості

Вода і її властивості - важливий інструмент в розумінні багатьох процесів життєдіяльності. Тому вони вивчені дуже добре. Так, гідрохімію цікавлять вода і її хімічні властивості. Серед них можна назвати наступні:

1. Жорсткість. Це така властивість, яке пояснюється наявністю солей кальцію і магнію, їх іонів в розчині. Підрозділяється на постійну (солі названих металів: хлоридів, сульфатів, сульфітів, нітратів), тимчасову (гідрокарбонати), яка усувається кип`ятінням. У Росії воду перед використанням пом`якшують хімічним шляхом для кращої якості.
2. Мінералізація. Властивість, засноване на дипольному моменті оксиду водню. Завдяки його наявності молекули здатні приєднувати до себе безліч інших речовин, іонів і утримувати їх. Так формуються асоціати, клатрати та інші об`єднання.
3. Окислювально-відновні властивості. Як універсальний розчинник, каталізатор, ассоциат, вода здатна взаємодіяти з безліччю простих і складних сполук. З одними вона виступає в ролі окислювача, з іншими - навпаки. Як відновник реагує з галогенами, солями, деякими менш активними металами, з багатьма органічними речовинами. Останні перетворення вивчає органічна хімія. Вода і її властивості, зокрема, хімічні, показують, наскільки вона універсальна і унікальна. Як окислювач вона вступає в реакції з активними металами, деякими бінарними солями, багатьма органічними сполуками, вуглецем, метаном. Взагалі хімічні реакції за участю даної речовини потребують підборі певних умов. Саме від них і буде залежати результат реакції.
4. Біохімічні властивості. Вода є невід`ємною частиною всіх біохімічних процесів організму, будучи розчинником, каталізатором і середовищем.
5. Взаємодія з газами з утворенням клатратов. Звичайна рідка вода може поглинати навіть неактивні хімічно гази і розташовувати їх усередині порожнин між молекулами внутрішньої структури. Такі сполуки прийнято називати клатратами.
6. З багатьма металами оксид водню формує кристалогідрати, в які він включений в незмінному вигляді. Наприклад, мідний купорос (CuSO₄* 5H₂O), а також звичайні гідрати (NaOH * H₂O та інші).
7. Для води характерні реакції з`єднання, при яких відбувається утворення нових класів речовин (кислот, лугів, підстав). Вони не є окислювально-відновними.
8. Електроліз. Під дією електричного струму молекула розкладається на складові гази - водень і кисень. Один із способів отримання їх в лабораторії і промисловості.

З точки зору теорії Льюїса вода - це слабка кислота і слабка основа одночасно (амфоліт). Тобто можна сказати про таку собі амфотерности в хімічних властивостях.

Вода і її корисні властивості для живих істот

Складно переоцінити те значення, яке має оксид водню для всього живого. Адже вода і є сам джерело життя. Відомо, що без неї людина не змогла б прожити і тижня. Вода, її властивості та значення просто колосальні.

1. Це універсальний, тобто здатний розчиняти і органічні, і неорганічні сполуки, розчинник, який діє в живих системах. Саме тому вода - джерело і середовище для протікання всіх каталітичних біохімічних перетворень, з формуванням складних життєво важливих комплексних сполук.
2. Здатність утворювати водневі зв`язку робить дану речовину універсальним в дотриманні температур без зміни агрегатного стану. Якби це було не так, то при найменшому зниженні градусів вона перетворювалася б у лід всередині живих істот, викликаючи загибель клітин.
3. Для людини вода - джерело всіх основних побутових благ і потреб: приготування їжі, прання, прибирання, прийняття ванни, купання та плавання та інше.
4. Промислові заводи (хімічні, текстильні, машинобудівні, харчові, нафтопереробні та інші) не зуміли б здійснювати свою роботу без участі оксиду водню.
5. З давніх-давен вважалося, що вода - це джерело здоров`я. Вона застосовувалася і застосовується сьогодні як лікувальну речовину.
6. Рослини використовують її як основне джерело харчування, за рахунок чого вони продукують кисень - газ, завдяки якому існує життя на нашій планеті.

Можна назвати ще десятки причин того, чому вода - це саме широко поширене, важливе і необхідне речовина для всіх живих і штучно створених людиною об`єктів. Ми навели лише найочевидніші, головні.

Гідрологічний цикл води

Іншими словами, це її кругообіг в природі. Дуже важливий процес, що дозволяє постійно поповнювати зникаючі запаси води. Як він відбувається?

Основних учасників троє: підземні (або грунтові) води, поверхневі води і Світовий океан. Важлива також і атмосфера, конденсується і видає опади. Також активними учасниками процесу є рослини (в основному дерева), здатні поглинати величезну кількість води на добу.

Отже, процес відбувається наступним чином. Грунтові води заповнюють підземні капіляри і стікаються до поверхні і Світового океану. Потім поверхневі води поглинаються рослинами і транспірірующей в навколишнє середовище. Також відбувається випаровування з величезних площ океанів, морів, річок, озер та інших водойм. Потрапивши в атмосферу, вода що робить? Конденсується і проливається назад у вигляді опадів (дощ, сніг, град).

Якби не відбувалися ці процеси, то запаси води, особливо прісної, давно б уже закінчилися. Саме тому охороні і нормальному гідрологічного циклу приділяється людьми велика увага.

Поняття про важкій воді

У природі оксид водню існує у вигляді суміші ізотопологов. Це пов`язано з тим, що водень формує три види ізотопу: протий ¹Н, дейтерій ²Н, тритій ³Н. Кисень, в свою чергу, також не відстає і утворює три стійкі форми: ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Саме завдяки цьому існує не просто звичайна протиевой вода складу Н₂О (¹Н і ¹⁶О), але ще і дейтерієва, і тритієва.

При цьому стійка за структурою і формою саме дейтерієва (²Н), яка включається до складу практично всіх природних вод, але в малій кількості. Саме її називають важкою. Вона дещо відрізняється від звичайної або легкої за всіма показниками.

Важка вода і її властивості характеризуються декількома пунктами.

1. Кристалізується при температурі 3,82 ⁰С.
2. Кипіння спостерігається при 101,42 ⁰С.
3. Щільність становить 1,1059 г / см³.
4. Як розчинник в кілька разів гірше легкої води.
5. Має хімічну формулу D₂O.

При проведенні дослідів, що показують вплив подібної води на живі системи, було встановлено, що жити в ній здатні лише деякі види бактерій. Для пристосування і акліматизації колоніям потрібен час. Але, пристосувавшись, вони повністю відновили всі життєво важливі функції (розмноження, харчування). Крім того, стали дуже стійкі до впливу радіоактивного випромінювання. Досліди на жабах і рибах позитивного результату не дали.

Сучасні області застосування дейтерію і освіченою їм важкої води - атомна і ядерна енергетика. Отримати в лабораторних умовах таку воду можна за допомогою електролізу звичайної - вона утворюється як побічний продукт. Сам дейтерій формується при багаторазових перегонах водню в спеціальних пристроях. Застосування його засновано на здатності сповільнювати нейтронні синтези і протонні реакції. Саме важка вода і ізотопи водню - основа для створення ядерної і водневої бомби.

Досліди на застосуванні дейтерієвої води людьми в невеликих кількостях показали, що затримується вона недовго - повне виведення спостерігається через два тижні. Вживати її як джерело вологи для життя не можна, однак технічне значення просто величезна.

Тала вода і її застосування

Властивості такої води здавна були визначені людьми як цілющі. Давно було помічено, що при таненні снігу тварини намагаються напитися водою з утворених лужиц. Пізніше були ретельно досліджені її структура і біологічний вплив на організм людини.

Тала вода, її ознаки і властивості знаходяться посередині між звичайною легкої і льодом. Зсередини вона утворена не просто молекулами, а набором кластерів, сформованих кристалами і газом. Тобто всередині пустот між структурними частинами кристалу знаходяться водень і кисень. За загальним виглядом будова талої води схоже з будовою льоду - зберігається структурність. Фізичні властивості такого оксиду водню незначно змінюються в порівнянні зі звичайним. Однак біологічний вплив на організм відмінне.

При заморожуванні води першою фракцією перетворюється в лід важча частина - це дейтерієву ізотопи, солі і домішки. Тому цю серцевину слід видаляти. А ось інша частина - чиста, структурована і корисна вода. У чому полягає вплив на організм? Вченими Донецького НДІ були названі такі види поліпшень:

1. Прискорення відновних процесів.
2. Зміцнення імунітету.
3. У дітей після інгаляцій такою водою відбувається відновлення і лікування простудних захворювань, проходить кашель, нежить та інше.
4. Покращується дихання, стан гортані і слизових оболонок.
5. Загальне самопочуття людини, активність підвищуються.

Сьогодні існує ряд прихильників лікування саме талою водою, які пишуть свої позитивні відгуки. Однак є вчені, в тому числі медики, які ці погляди не підтримують. Вони вважають, що шкоди від такої води не буде, але і користі мало.

Енергетика

Чому властивості води можуть змінюватися і відновлюватися при переході в різні агрегатні стани? Відповідь на це питання наступного: у даного з`єднання існує своя інформаційна пам`ять, яка записує всі зміни і призводить до відновлення структури і властивостей в потрібний час. Біоенергетична поле, через яке проходить частина води (та, що надходить з космосу), несе в собі потужний заряд енергії. Цю закономірність часто використовують при лікуванні. Однак з медичної точки зору не кожна вода здатна надати сприятливий ефект, в тому числі і інформаційний.

Структурована вода - що це?

Це така вода, яка має дещо інше будова молекул, розташування кристалічних решіток (таке, яке спостерігається у льоду), але це все ж рідина (тала також відноситься до цього типу). В цьому випадку склад води і її властивості з наукової точки зору не відрізняються від тих, що характерні для звичайного оксиду водню. Тому структурована вода не може мати такого широкого лікувального ефекту, який їй приписують езотерики і прихильники нетрадиційної медицини.