Физические и химические свойства воды

В блоге мы часто ссылаемся на определенные свойства воды, но редко раскрываем их суть. Сегодня мы попробуем побыть Википедией и окунуться в курс физики и химии воды, простым языком рассказать о том, почему же она не только “источник жизни на земле”, а и поистине особенное химическое вещество.

Физические свойства воды

Чистая вода не имеет вкуса и запаха, при нормальной температуре (20^оС) находится в жидком виде.

“Вода” — это тривиальное название, химическое соединение называют оксидом водорода. Из названия можно понять, что в ее составе содержатся ионы водорода и кислорода, которые связаны между собой так называемой ковалентной связью.

Атом водорода имеет валентность (способность образовать связи) 1, а атом кислорода - 2. Благодаря этому формула воды именно H₂O.

Также каждая молекула воды способна образовывать до четырех водородных связей (2 из них водород, 2 кислород). Все аномалии физических свойств воды связаны именно с ними — у воды довольно высокая температура кипения (100^оС). Если бы не существовало водородных связей, то вода кипела бы при температуре -80 ^оС, а замерзала бы при -100^оС. Такое строение позволяет нам видеть воду в трех агрегатных состояниях (лед, жидкость, газ) в окружающей нас естественной среде. Тут кратко описаны физические свойства воды, а вот детальнее о том, как кипит и замерзает вода, чем и почему отличается тяжелая вода, 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 рассматривать воду, как компонент реакций, то основные химические свойства H₂O, которые нужно знать, чтобы понимать процессы в окружающей среде, можно описать небольшим списком.

Взаимодействие воды с простыми веществами

С щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействие происходит довольно бурно с выделением тепла, а иногда даже света, например, натрий, калий, кальций способны двигаться и даже “прыгать” по воде.

2Na + 2H₂O = H₂ + 2NaOH.

Менее активные металлы реагируют либо при нагревании, либо не реагируют совсем, например железо:

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

Эти реакции в естественной среде не происходят, а вот реакция коррозии, когда к воде присоединяется воздух, очень даже распространена:

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

Фотосинтез

Эта уникальная реакция 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.

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.