(рис. 1.2)
Итак, аномальность температур плавления льда и кипения воды связана с тем, что существование ее в условиях Земли в твердом и жидком состоянии также аномально. Нормальным было бы пребывание воды только в газообразном виде.
Ассоциированость воды обуславливает очень высокую теплоту ее парообразования. Например, для того чтобы выпарить 1 г воды, нагретой до 100ºC, требуется в шесть раз больше теплоты, чем для нагревания точно такого же количества воды от 0 до 80ºC. Благодаря этому вода является мощным энергоносителем на нашей планете. Способность воды накоплять большие запасы тепловой энергии дает возможность нивелировать резкие температурные колебания на земной поверхности в разные времена года и суток, т. е. Вода является регулятором температуры воздуха.
Среди физических свойств воды следует отметить ее высокое поверхностное натяжение – 72,7 ·10-7 Дж/см2 (при 20ºC). В этом отношении среди всех жидкостей вода уступает только ртути. Эта особенность воды проявляется в постоянном стремлении ее стягивать свою поверхность, несмотря на способность свободно размещать свой объем по форме занимаемого объекта. Высокое поверхностное натяжение воды приводит к тому, что она во время свободного падения или в состоянии невесомости приобретает форму шара, т. е. Геометрической формы с наименьшей поверхностью для этого объема.
Особенно наглядно выявляется поверхностное натяжение в смачивании – «прилипании» воды ко многим поверхностям. Установлено, что все вещества, например песок, стекло, глина, бумага, ткани и др., которые легко смачиваются водой, обязательно имеют в своем составе молекулы с атомами кислорода. Эта особенность воды дала возможность пояснить природу процесса смачивания: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают способность образовывать дополнительные водородные связи с атомами кислорода указанных выше веществ.
Смачивание и поверхностное натяжение являются основой явления капиллярности. Последнее заключается в том, в узких каналах (капиллярах) вода может подниматься на высоту значительно большую, нежели та, которая допускается силой гравитации для столбика этого пересечения.
Итак, модифицируя структуру воды, можно достичь желаемых ее качеств. Это дает возможность эффективно использовать воду во многих сферах техники и хозяйственной деятельности.
После добавления в воду небольших количеств (части процента) полимерных соединений с большой полимерной массой, например полиакриламида, получают «скользкую» воду. Стеклянный шарик, погруженный в такую воду, падает в 2 – 2,5 раза быстрее, нежели в обычной, и быстро двигается в трубопроводах. Образование ассоциатов молекул воды с макромолекулами полимерных добавок способствует разрушению гидратных оболочек вокруг взвесей и ускоряет выпадение их в осадок.
Добавление небольших доз кремнесодержащих веществ придает воде резиноподобного вида. В этом случае вода из наклоненного сосуда не выливается, а вытягивается в виде эластичного жгута. При введении в воду небольших доз (сотые миллиграмма) металлов, например серебра, вода приобретает высокие бактерицидные и лекарственные качества и является прекрасным консервантом. «Серебряная вода» сохраняется в течении долгого времени, не утрачивая своих качеств питьевой воды.
Химические свойства воды.
Взаимодействие водорода с кислородом в газообразном виде при отсутствие катализатора медленно происходит только при 3000ºC по схеме[4]:
2H2 + O2 = 2H2O.
При повышении температуры скорость реакции возрастает и при 550ºC она происходит со взрывом. При наявности катализатора, например платины, ход реакции ускоряется.
Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000ºC водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород[4]:
2H2O ↔ 2H2 + O2.
Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000ºC степень термической диссоциации не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации – водородом и кислородом - все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000ºC равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.
Кроме термической диссоциации вода способна также к электролитической, фитохимической и радиолитической диссоциации.
Электролитическая диссоциация воды в жидком виде происходит по схеме[4]:
H2O = H+ + OH¯
Вода – весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.
С инертными газами вода образует гидраты, которые стойки при очень низких температурах. Вода окисляет кислородом в атомарном виде по схеме:
H2O + O2 = H2O2.
При обычных температурах вода реагирует с фтором с выделением атомарного кислорода[4]:
H2O + F2 = 2HF + O.
Кроме того, могут образовываться O2, O3, H2O2, F2O, которые являются продуктами взаимодействия атомов кислорода друг с другом и с F2, H2O.
Во время растворения в воде хлора происходит реакция гидролиза хлора по схеме[4]:
H2O + Cl2 = HCl + HOCl.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.
Вода способна соединятся с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Xe · 6H2O, Cl2 · 8H2O, C2H6 · 6H2O, C3H8 · 17H2O, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24ºC (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами[4].
Клатраты используют для разделения углеводородов и природных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения воды.
Воде присущи слабые окислительные качества за счет атомов водорода с высшей степенью окисления ионов H+. При высоких температурах и наличии катализаторов вода окисляет метан, оксид углерода (ІІ) , углерод, железо, фосфор, при обычных условиях - щелочные и щелочноземельные и их гидриды[4]:
CO + H2O = CO2 + H2 ↑ (катализатор Fe);
3Fe + H2O=Fe3O4 + 4H2↑;
CH4 + H2O = CO + 3H2↑ (1200 – 1400 °C без катализатора и при катализаторе – Ni или Co при 700 – 800 °C);
CaH2 + 2H2O = Ca (OH) 2 + 2H2↑;
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑.
При растворении в воде кислотных и щелочных оксидов образуются соответственно кислоты и щелочи, а при растворении солей, кислот, оснований происходит их гидратация, т. е. присоединение молекул воды к молекулам растворенного вещества.
Природные воды почти никогда не бывают химически чистыми, так как содержат различные вещества в растворенном и взвешенном состоянии. В процессе взаимодействия гидросферы с атмосферой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истинные растворы – это такие, в которых растворенные вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающими 10-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Коллоидные растворы более устойчивы, но в природных водах они встречаются в незначительных количествах[6].
Природные воды различаются между собой по химическому составу, концентрации, соотношению в форме соединений между химическими элементами, находящимися в растворе.
1.3 Биологические свойства воды.
Вода принимает участие в биологическом круговороте веществ, в процессе которого несколько изменяется. Она является одной из важнейших составных живых организмов. Вода входит в состав различных тканей и органов. Так, 22 - 34 % ее содержится в костях, до 70 – 80 % - в жировой ткани и до 82 – 94 % - в нервных волокнах.
В теле грудного ребенка воды содержится – до 65 % . По мере роста и накопления жировых отложений содержание воды в организме уменьшается, достигая примерно 60 % (40 – 42 литра) у среднего взрослого мужчины и 50% - у женщины[12].
Автотрофы – зеленые растения – трансформируют неорганические соединения, в частности воду, оксид углерода (ΙV) и минеральные соли в органические вещества тела клетки, молекулярная структура которой неимоверно велика. Основой этого процесса является реакция фотосинтеза, в результате которой из углекислого газа и воды при участии хлорофилла и солнечной энергии появляются органические вещества, входящие в состав клеток и выделяется кислород:
hν
6CO2 + 6H2O + 2,72 кДж―—–→ C6H12O6 + 6O2↑.
Хлорофилл
Гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, которые необходимы для их существования. Они используют питательные вещества, которые входят в состав организмов авто- и гетеротрофов. При этом вещества экзометрически расщепляются и окисляются на более простые. Все процессы происходят при непосредственном участии живого вещества.
Ряд автотрофных организмов – продуцентов неспособны использовать солнечную энергию, поскольку не имеют соответствующих пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных соединений.