Физические и химические свойства воды

Вода - это одно из самых простых соединений, которое действительно можно назвать источником жизни на земле, она учавствует в множестве биологических процессов. В блоге мы часто ссылаемся на определенные свойства воды, но редко раскрываем их суть. Давайте сегодня почувствуем себя как Википедия и углубимся в мир физики и химии воды. Простым языком объясним из чего состоит вода, и почему она не только играет роль "источника жизни на Земле", но также является удивительным химическим веществом.

Физические свойства воды

Вода в своем чистом виде не обладает вкусом и ароматом, а при обычной температуре (20^оС) остается в жидком состоянии.

“Вода” — это тривиальное название, химическое название воды является оксид водорода. По названию можно сделать вывод, что в её составе присутствуют ионы водорода и кислорода, соединенные друг с другом посредством ковалентной связи.

Водородный атом обладает валентностью 1, в то время как атом кислорода имеет валентность 2. Благодаря этому формула питьевой воды именно H₂O.

Каждая молекула воды также способна формировать до четырех водородных связей (2 с атомами водорода и 2 с атомами кислорода). Все необычные физические свойства воды связаны именно с этими связями, ведь у воды относительно высокая температура кипения (100^оС). Без водородных связей вода начала бы кипеть при температуре -80 ^оС и замерзала бы при -100 ^оС. Такое молекулярное строение обуславливает наличие воды в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) в естественной среде вокруг нас. Детальнее о том, как кипит и замерзает вода, чем и почему отличается тяжелая вода, а также про парадокс Мпембы, мы писали ранее.

Химические свойства воды

Тут мы детальнее поговорим о том, какие химические свойства может проявлять вода, и как они связаны с показателями воды на Земле.

Если мы рассматриваем воду как участника химических реакций, основные её химические свойства H₂O, необходимые для понимания процессов в окружающей среде, можно кратко перечислить.

Формула воды

Химическая формула воды представляет собой соединение из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Эта простая, но мощная структура обуславливает множество свойств, сделавших воду уникальной вещественной средой.

Полярность молекул воды обусловлена разницей в электроотрицательности между атомами водорода и кислорода. Это приводит к созданию диполя, что делает воду отличным растворителем. Благодаря этой способности растворять множество веществ, вода играет ключевую роль в многих биологических и химических процессах.

Взаимодействие воды с простыми веществами

Металлы из группы щелочных и щелочноземельных, что взаимодействуют с водой проявляют довольно бурную реакцию с выделением тепла, а иногда даже света, например, натрий, калий, кальций способны двигаться и даже “прыгать” по воде.

2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH.

Металлы с низкой активностью проявляют реакцию либо при подогреве, либо остаются нереактивными, как, например, железо:

3Fe + 4H₂O = 4H₂+ Fe₃O₄ (только при нагревании)

Эти химические реакции не происходят естественным образом в окружающей среде, в то время как процесс коррозии, при котором вода взаимодействует с воздухом, весьма распространен:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O ➝ 4Fe(OH)₃.

Это уравнение описывает формирование ржавчины на железных поверхностях. Подобные процессы могут происходить также с медью, цинком и их сплавами.

Реакции с неметаллами происходят исключительно при нагревании или других типах воздействия. Они также не принципиальны для изучения свойств воды.

Реакции с оксидами неметаллов

Очень часто вода в природе встречается с углекислым газом, а также оксидами серы и азота, которые являются компонентами выхлопных газов, по такому механизму:
SO₂ + H₂O = H₂SO₄.

В результате именно этих процессов образуются кислотные дожди.

Фотосинтез

Эта уникальная реакция с водой позволяет растениям под воздействием солнечного излучения из углекислого газа и воды синтезировать питательные вещества: крахмал и глюкозу.

6nCO₂ + 5nH₂O = (C₆H₁₀O₅)n + 6n O₂

Это, пожалуй, все реакции, которые могут быть интересны в отношении воды, как отдельного элемента.

Вода — идеальный растворитель

Вода является идеальным растворителем, поэтому много процессов происходит невидимо для нашего глаза. Вот они – как раз, и наиболее интересны. В природе не существует воды, которая не содержит примесей. В воде всегда растворены неорганические соли, газы, а при антропогенном влиянии еще и огромный ассортимент органических веществ. В том числе:

• соли жесткости;
• железо;
• марганец;
• соли тяжелых металлов;
• природные органические вещества.

Например, природная жесткость воды обусловлена тем, что в момент ее движения через породы, она насыщается минералами. В зависимости от состава пород, их растворимости, температуры окружающей среды определенные их концентрации способны растворяться в воде. Преимущественно такие породы представлены карбонатами, сульфатами, нитратами кальция, магния, натрия, калия и пр. катионов. Пожалуй, основными минералами, которые составляют базис жесткости, являются гипс (CaSO₄), доломит (CaCO₃•MgCO₃), известняки (CaCO₃).

Что касается растворенного железа и марганца, то они характерны преимущественно для природных скважинных вод, так как растворимые соли железа обычно “обитают” в пространстве с недостатком воздуха. Источниками их являются преимущественно магнитный, бурый, красный железняки, магнезит и пр.

Сероводород также хранится глубже грунтовых вод, как продукт химических изменений органических веществ. На воздухе тоже склонен окисляться до элементарной серы и выпадать в осадок (обычно невидимый человеческим глазом).

В природных поверхностных водах всегда содержится растворенный кислород и азотсодержащие компоненты, которые получаются как следствие жизнедеятельности микроорганизмов — это аммоний, нитриты, нитраты, которые с легкостью преобразуются друг в друга. Также в водоемах всегда есть белки и аминокислоты.

Что же касается антропогенной нагрузки, то именно благодаря ей в воду вносятся самые токсичные загрязнители:

• соли тяжелых металлов;
• промышленные органические продукты;
• нитраты и фосфаты применяемые в качестве удобрений.

В воде постоянно происходят какие-то реакции. Это и обменные процессы, которые вызывают, например, осаждение известкового налета состоящего из карбоната кальция. И окислительно восстановительные, из-за которых в скважинной воде появляется рыжеватая железная муть или осадок на стенках. Вода — это сложная химическая система, и каждый элемент всегда имеет свой источник.

Свойства воды для организма человека

Вода играет ключевую роль в поддержании жизни и здоровья организма человека. Ее свойства оказывают влияние на различные аспекты функционирования организма:

• Вода является основным компонентом клеток, тканей и органов. Постоянное употребление воды поддерживает оптимальный уровень гидратации, обеспечивая нормальное функционирование клеток.
• Вода участвует в процессах терморегуляции. Путем испарения через пот и дыхание она помогает охлаждать организм в условиях повышенной температуры. 
• Вода служит средой для транспортировки питательных веществ, минералов и кислорода к клеткам органов и тканей.
• Многие химические реакции, происходящие в организме, зависят от участия воды. Она служит средой для различных биохимических процессов, включая расщепление пищи в желудке.
• Вода играет важную роль в выведении токсинов и отходов через мочевыделительную систему и пот.
• Вода участвует в поддержании оптимального уровня pH в организме, что важно для многих биологических процессов.
• Употребление достаточного количества воды помогает улучшить пищеварение, разбавляя желудочные соки и облегчая перемещение пищи по кишечнику.

С учетом этих свойств важно поддерживать достаточный уровень потребления воды для обеспечения нормального функционирования организма и поддержания общего здоровья.

Ресурсы:

1. Гринь, В. "ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ." студенческого научного общества (2010): 14.

2. Якименко, Анна. "Изучение свойств воды." URL: http://fyzikaschool.ucoz.ua/doslidnu/Yakimenko-2-.pdf (дата обращения: 12.07.2023).

3. запасов воды на Земле, Распределение. "Состав и свойства воды. Физические и химические свойства питьевой воды." ПРИРОДНАЯ ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА: 41.

4. Пашковская, О. С., and Н. В. Бродецкая. "Вода и ее значение для здоровья человека." Биологические исследования-2013 (2013): 186-187.