Вода як хімічна сполука, її структура, ізотопний склад

7. Біогенні елементи

Серед компонентів морської води, що зустрічаються в малих  концентраціях, виключно велике значення для органічного життя в океані мають так звані біогенні елементи. Під цією назвою об'єднані такі сполуки як фосфати, нітрати та силікати, які переробляються дрібними рослинними організмами - фітопланктоном. Він знаходиться в воді в завислому стані і має здатність до фотосинтезу вуглеводів з діоксиду вуглецю та води:

6СО2 + 6Н2О = С6 Н12О6 + 6О2

Для того, щоб ця реакція  відбулася, фітопланктон повинен залишатися там, де достатньо сонячного світла, тобто в фотичній зоні.

Розчинені гази.

Кисень та вуглець  у воді, їх кругообіг та екологічне значення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поширення в природі

У Всесвіті

Хімічні елементи, які входять до складу води, Гідроген і Оксиген, належать до найпоширеніших у природі. Утворення води з цих елементів відбувається там, де густина газів достатньо велика і зіткненням між атомами достатньо ймовірне. Вода виявлена в складі міжзоряних газових хмар, що лежать у межах нашої галактики - Чумацького Шляху.

У сонячній системі[ред. • ред. код]

Одним з найважливіших питань, пов'язаних з освоєнням космосу людиною і можливістю виникнення життя на інших планетах, є питання про наявність води за межами Землі в достатній концентрації. Відомо, що деякі комети більше, ніж на 50% складаються з водяного льоду. Не варто, втім, забувати, що не будь-яке водне середовище придатне для життя — зокрема, акумуляторна батарея містить 25%-ий розчин сірчаної кислоти у воді (але життя в ньому, очевидно, є маловірогідним, тим більше, його виникнення).

У результаті бомбардування  місячного кратера, проведеного 9 жовтня 2009 року НАСА з використанням космічного апаратуLCROSS, вперше були отримані достовірні свідчення наявності на супутнику Землі водяного льоду у великих обсягах^[1].

Точно з'ясовано, що вода у  замерзлому стані є на поверхні Марсу.

Рідка вода, імовірно, є під  поверхнею деяких супутників планет, найбільш ймовірно, на Європі, супутнику Юпітера.

На Землі

 

Вода належить до найпоширеніших речовин на Земній кулі^{[Джерело?]}. Водою вкрито близько 2/3 поверхні земної кулі (океани,моря, озера, річки). Значна її кількість у вигляді льоду і снігу вкриває високі гори і величезні простори Арктики і Антарктиди. Багато води в атмосфері — пара, туман і хмари. Значні кількості води містяться і в земній корі у вигляді підземних вод. У природі вода перебуває не тільки у вільному стані, а і в хімічно зв'язаному.

Вода входить  до складу багатьох гірських порід і всіх рослинних і тваринних організмів. На воду припадає близько 60% маси тварин і до 80% маси риб. У деяких рослинах вміст води іноді перевищує 90% їхньої маси. Більшість запасів води на Землі знаходяться в морях і океанах, прісна вода становить 2,5-3% від загального об'ємугідросфери.

 

 

Вода як розчинник

Схематичне зображення гідратної  оболонки навколо іону натрію

Вода — це полярний розчинник, в ній добре розчиняються полярні і заряджені сполуки, які ще називають гідрофільними. Речовини, що складаються із неполярних молекул, у воді не розчиняються, їх називають гідрофобними. Гідрофобними, а отже і погано розчинними, зокрема є такі гази як кисень і вуглекислий газ. Тому багато живих організмів, в тому числі і людина, мають спеціальні транспортні білки, такі як гемоглобін та міоглобін, для перенесення кисню по тілу, а вуглекислий газ в крові перебуває у формі бікарбонату (HCO-3)^[3].

Здатність води ефективно розчиняти полярні  і заряджені речовини зумовлена  високою діелектричною проникністю, її діелектрична стала при температурі 25 °C становить 78,5 (для порівняння діелектрична стала неполярного розчинника бензену при тій же температурі 4,6). Це означає, що вода може ефективно екранувати електростатичні взаємодії між розчиненими іонами. Наприклад, під час розчинення хлориду натрію молекули води утворюють гідратні оболонки навколо іонів Na⁺ і Cl^-, таким чином стабілізують їх, частково нейтралізують їхні заряди, і не дозволяють взаємодіяти одне з одним утворюючи кристали^[4].

Існують також амфіфільні речовини, молекули яких мають гідрофобну і гідрофільну частини. Коли такі речовини потрапляють у воду, їхні полярні частини вступають у взаємодію з молекулами води, в той час як гідрофобні навпаки такої взаємодії уникають. Таким чином завдяки так званим гідрофобним взаємодіям амфіфільні речовини формують у воді міцели^[5].

Прозорість води

Після падіння  краплі води

Чиста вода — прозора речовина з показником заломлення у видимому діапазоні 1,33. Вода, проте поглинає електромагнітні хвилі в інфрачервоній та ультрафіолетовій областях спектру.

Прозорість води залежить від товщини шару, через яку проходить світло, від кольоровості й мутності води, тобто від вмісту в ній різних барвистих завислих мінеральних і органічних речовин.

Мірою прозорості служить висота стовпа води, при якій можна спостерігати білий диск-прозоромір певних розмірів, що його занурюють у воду, або розрізняти на білому папері стандартний шрифт певного розміру й типу. Результати виражаються в сантиметрах із називанням способу вимірювання. За ступенем прозорості води поділяють на: 1) прозорі; 2) слабко прозорі; 3) слабко каламутні; 4) каламутні; 5) сильно каламутні.

Хімічні властивості

Молекули води мають слабку здатність до зворотної іонізації шляхом розпаду на протон H⁺ і гідроксид-іон OH^-:

H₂O   H⁺ + OH^-;

Не зважаючи на те, що одним із продуктів дисоціації є протони, вони не існують у воді у вільному стані, а натомість  відразу ж приєднуються до молекул H₂O з утворенням іонів гідронію H₃O^-. Внаслідок іонізації чиста вода до певної міри може проводити електричний струм. При чому гідроксид- і гідроній-іони в електричному полі рухаються значно швидше ніж інші іони. Це пояснюється явищем «перетстрибування протонів»: жоден індивідуальний іон не переміщується на великі відстані, натомість відбувається перенесення протонів між молекулами води, з'єданими між собою водневими зв'язками. Таким чином виникає сумарний рух гідроній-іонів до катоду, а гідроксид-іонів — до аноду. «Перестрибування протонів» також призводить до того, що у водних розчинах дуже швидко проходять кислотно-основні реакції^[6].

У стані рівноваги тільки невеличка частина молекул води іонізовані, так при температурі 25 °C на іони розпадається приблизно одна молекула із півмільярда. Іонний добуток води ({H⁺}×{OH^-}, де {H⁺} і {OH^-} — активності відповідних іонів) є сталою величиною і складає 1×10⁻¹⁴ M², оскільки у чистій воді концентрації (і активності) іонів OH^- і H⁺ рівні, то кожна з них рівна 1×10⁻⁷ M². Негативний десятковий логарифм із {H⁺} називається pH (водневий показник), відповідно для чистої води, яка є абсолютно нейтральною, він становить 7^[7].

У хімічному  відношенні вода досить активна. З багатьма речовинами вона вступає в хімічні реакції вже при звичайній температурі. З оксидами лужних і лужноземельних металів вона утворює основи:

• СаО + Н₂О = Са(ОН)₂

З багатьма оксидами неметалів (ангідридами) вода утворює кисневмісні кислоти:

• Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄

З найактивнішими металами вона утворює основи з виділенням водню:

• 2Na + 2Н₂О = 2NaOH + Н₂ ↑

З деякими солями вода утворює так звані кристалогідрати, які характеризуються строго визначеною кількістю молекул води, що припадають на одну молекулу солі. Наприклад, з сульфатом міді вода утворює мідний купорос:

• CuSO₄ + 5Н₂О = CuSO₄ • 5Н₂О

в якому на одну молекулу сульфату міді припадає п'ять  молекул води. Воду, що входить до складу кристалів, називають кристалізаційною.

Кристалізаційну воду не слід плутати з гігроскопічною водою, яка поглинається (адсорбується) поверхнею і порами всіх речовин на відкритому повітрі. Деякі речовини відзначаються підвищеною здатністю поглинати вологу повітря. Внаслідок цього вони мокріють (наприклад, NaCl), а інколи навіть і розпливаються на повітрі (як CaCl₂). Такі речовини називають гігроскопічними. На відміну від кристалізаційної, кількість гігроскопічної води в речовинах, змінна. Вона хімічно не взаємодіє з речовиною-адсорбантом.

При високій  температурі водяна пара взаємодіє з залізом і іншими речовинами. Наприклад:

• 3Fe + 4Н₂О = Fe₃О₄ + 4Н₂

Раніше цю реакцію  застосовували в техніці для добування водню.

У термічному відношенні вода досить стійка. Проте при температурах, вищих 1000°С, вона починає розкладатися на водень і кисень:

• 2Н₂О = 2Н₂ + O₂

Роль води в природі та житті

У природі вода відіграє надзвичайно важливу роль. Випаровуючись, вода переноситься на величезні віддалі і там випадає у вигляді дощу і снігу. Вологість повітря і кількість атмосферних опадів є найважливішими факторами, що регулюють клімат і погоду.

Вода є також  одним з найважливіших геологічних факторів, що змінює зовнішній вид земної поверхні, розмиваючи гори і утворюючи долини. Вона руйнує гірські породи не тільки механічно, а й хімічно, реагуючи з ними з утворенням інших речовин.

Вода має  величезне значення в житті людини, тварин і рослин. Вона потрібна рослинам для розчинення поживних речовин ґрунту. Нестача води у ґрунті призводить до погіршення живлення рослин і зниження врожаю сільськогосподарських культур. Тому для забезпечення у ґрунті води здійснюють цілий комплекс агрохімічних заходів.

Усі процеси  травлення і засвоєння їжі людиною і тваринами відбуваються у водному середовищі. Надмірна втрата води організмом (до 10 — 20%) може призвести до загибелі. Щоденна потреба дорослої людини у воді становить 2,5—4 дм³. Вода є одним з шести основних харчових елементів здорового харчування людини поряд звуглеводами, білками, жирами, вітамінами і мінералами.

Шкідливість та небезпека води

Шкідливою дією вод є:

1. наслідки повені, що призвели до затоплення і підтоплення земель та населених пунктів;
2. руйнування берегів, захисних дамб та інших споруд;
3. заболочення, підтоплення і засолення земель, спричинені підвищенням рівня ґрунтових вод внаслідок ненормованої подачі води під час зрошення, витікання води з водопровідно-каналізаційних систем та перекриття потоків підземних вод при розміщенні великих промислових та інших споруд;
4. осушення земель, зумовлене забором підземних вод в кількості, що перевищує встановлені обсяги відбору води;
5. забруднення (засолення) земель в районах видобування корисних копалин, а також після закінчення експлуатації родовищ та їх консервації;
6. ерозія ґрунтів, утворення ярів, зсувів і селей.

Під час проектування водогосподарських та інших об'єктів  повинна враховуватися можлива  шкідлива дія вод, а під час  експлуатації цих об'єктів — вживатися заходи щодо її запобігання, а саме:

1. залуження та створення лісонасаджень на прибережних захисних смугах, схилах, балках та ярах;
2. будівництво протиерозійних гідротехнічних споруд, земляних валів, водоскидів, захисних дамб, водосховищ-регуляторів;
3. спорудження дренажу;
4. укріплення берегів тощо.

Вода у техніці

Вода має  численні технічні застосування. Енергія падіння води широко використовується на гідроелектростанціях для одержання дешевої електричної енергії. Воду використовують у будівельній, текстильній, шкіряній, металургійній і багатьох інших галузях промисловості. Особливо широко застосовують воду у хімічній промисловостідля процесів розчинення, фільтрування, промивання і як сировину для одержання різних хімічних продуктів: їдких лугів, кислот, водню тощо.

Якість води

Вода відкритих водойм, що використовується для господарсько-питного водопостачання, купання, спортивних занять, організованого відпочинку, з лікувальною метою, а також вода водойм у межах населених пунктів повинна відповідати санітарним нормам.^[8]

Гідрологія

Докладніше: Гідрологія

Гідрологія — наука, що вивчає природні води, їх взаємодію з атмосферою і літосферою, а також явища і процеси, які в них протікають (випаровування, замерзання тощо) .

Предметом вивчення гідрології є всі види вод гідросфери в океанах, морях, річках, озерах, водосховищах, болотах, грунтових і підземних вод.

Гідрологія досліджує кругообіг води в природі, вплив на нього діяльності людини і управління режимом водних об'єктів і водним режимом окремих територій; проводитьаналіз гідрологічних елементів для окремих територій і Землі в цілому; дає оцінку і прогноз стану і раціонального використання водних ресурсів; користується методами, застосовуваними в географії, фізиці та інших науках. Дані гідрології моря використовуються при плаванні і веденні бойових дій надводними кораблями і підводними човнами.

Гідрологія підрозділяється на океанологію, гідрологію суші і гідрогеологію.

Океанологія підрозділяється  на біологію океану, хімію океану, геологію океану, фізичну океанологию, і взаємодія океану та атмосфери.