Вода

ВОДА (а. water; н. Wasser; ф. eau; и. agua) — широко распространённое в природе простейшее, устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, Н₂О (11,19% водорода и 88,81 % кислорода, по массе); бесцветная жидкость (в толстых слоях — голубоватого цвета) без запаха и вкуса. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды. Вода — обязательный компонент практически всех технологических процессов. Изотопный состав воды. В связи с существованием двух стабильных изотопов у водорода ¹Н и ²Н, обычно обозначаемых Н и D (дейтерий), и трёх у кислорода (¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О) известно 9 изотопных разновидностей воды. Особый интерес представляет тяжёлая вода D₂О. См. табл.

Физические свойства воды и их аномалии определяются тем, что её молекулы объединяются в комплексы водородными связями. Существует ряд гипотетических структурных моделей воды, требующих дальнейшего уточнения.

Структура воды отличается неустойчивостью, т.к. водородная связь примерно в 10 раз сильнее обычного межмолекулярного взаимодействия (угол между связями 104°27'). Структура воды сильно зависит от характера и концентрации примесей, присутствующих в ней в ионной и молекулярной формах. Различные ионы, молекулы растворённых газов могут изменять структуру воды, например, атомы гелия и молекулы водорода могут помещаться в структуре воды без нарушения водородных связей.

Распределение электронной плотности в молекуле воды таково, что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра. Благодаря этой полярности вода имеет дипольный момент (1,86 D). Кристаллическая структура обычного льда гексагональная, "рыхлая", в ней много "пустот" (при плотной "упаковке" молекул воды в кристаллах льда его плотность составила бы около 1600 кг/м³). В жидкой воде присущая льду связь каждой молекулы Н₂О с четырьмя соседними ("ближний порядок") в значительной степени сохраняется; однако "рыхлость" структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы "дальнего порядка" попадают в "пустоты", что ведёт к росту плотности воды.

Многие физические свойства воды обнаруживают существенные аномалии. Плотность воды достигает максимального значения 1000 кг/м³ при +3,98°С; при дальнейшем охлаждении она уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. Вода способна к значительному переохлаждению, т.е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при -30°С). Вязкость воды, с ростом давления уменьшается, а не повышается, как у других жидкостей. Сжимаемость воды крайне невелика и с ростом температуры уменьшается. Некоторые аномалии ослабевают по мере минерализации воды и даже исчезают в насыщенных растворах. Свойства воды могут значительно изменяться в зависимости от естественных условий, существующих в природе, или искусственно создаваемых (действие температуры и давления, магнитных полей).

Химические свойства воды в обычных условиях. Вода — достаточно устойчивое соединение, распад молекул Н₂О становится заметным лишь выше 1500°С. Вода взаимодействует со многими основными и кислотными окислами, образуя соответственно основания и кислоты. Присоединение воды к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов, альдегидов, кетонов. Вода участвует во многих химических процессах как катализатор. Так, взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, многие окислительные реакции не идут в отсутствии хотя бы ничтожных количеств воды.

Газы достаточно хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химические взаимодействия (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы менее растворимы в воде. При понижении давления и повышении температуры (до 80°С) растворимость газов в воде, уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышении давления не только растворяются в воде, но и образуют кристаллогидраты.

Вода — слабый электролит, диссоциирующий по уравнению Н₂O⇔H⁺ + OH^-, причём количественной характеристикой электролитической диссоциации воды служит ионное произведение воды: Кв= Н⁺OH^-, где Н⁺ и OH^- — концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; Кв составляет 10^-14 (22°С) и 72 • 10^-14 (100єС). Вода растворяет множество кислот, оснований, минеральных солей. Такие растворы проводят электрический ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов. Многие вещества при растворении в воде вступают с ней в реакцию обменного разложения, называется гидролизом. Из органических веществ в воде растворяются те, которые содержат полярные группы (-OH, -NH₂, -COOH и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Сама вода хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органических растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам вода присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних. В природе вода встречается обычно в виде растворов.

Вода в природе. Природная вода является своеобразным минералом, характеризующимся непостоянным химическим составом, наличием разнообразных примесей, изменяющих её свойства, и служит объектом добычи, переработки и использования в огромных количествах (около 3 • 10¹² м³/год). Океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные воды, почвенная влага образуют водную оболочку (см. Гидросфера). В атмосфере вода находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега.

В криолитозоне пресные и солоноватые подземные гравитационные воды находятся в виде подземного льда, обусловливая существование мёрзлых пород. Подземные льды в мёрзлых породах (особенно в дисперсных) изменяют их физические свойства (резко повышают механическую прочность, уменьшают водопроницаемость и т.д.). Солёные подземные воды и рассолы в криолитозоне имеют отрицательные температуры и испытывают при их колебаниях изменения в составе. В земной коре содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км³ воды. При этом запасы пресных вод достаточно ограничены. Значительное количество воды в земной коре находится в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Конституционная вода находится в кристаллической решётке минералов в виде ионов OH^-, гораздо реже Н⁺, т.е. образуется лишь при разрушении решётки минерала. Кристаллизационная вода занимает определённые места в структуре решётки минерала в виде молекул Н₂О. Часть кристаллизационной воды, выделяющейся без разрушения решётки и вновь поглощаемой минералом при изменении условий, называется цеолитной. Молекулы адсорбционной воды связаны с поверхностью минеральных кристаллов, образуют гигроскопический слой (в минералах слоистой структуры содержатся межплоскостные слои). В значительных количествах адсорбционная вода присутствует в твёрдых коллоидах. Вода, заполняющая тонкие канальцы в почве, породе, называется гигроскопической (капиллярной). Различают также свободную воду, заполняющую пустоты, трещины и перемещающуюся под действием силы тяжести.

Огромные количества воды (13-15 млрд. км³) сосредоточены в мантии Земли. Вода, выделявшаяся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её развития, по современным воззрениям, сформировала гидросферу. Ежегодное поступление воды из мантии и магматических очагов составляет около 1 км³ (см. Ювенильные воды). Имеются данные о том, что вода, хотя бы частично, имеет космическое происхождение: протоны, пришедшие в верхнюю атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, которые, соединяясь с атомами кислорода, дают воду. Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой. Вода — активный фактор эндогенных и экзогенных геологических процессов, с водой тесно связаны процессы формирования месторождений и минералообразование.

 В природных условиях количественный состав примесей меняется в зависимости от происхождения воды и геологических условий. При концентрации солей до 1 г/кг воду считают пресной, до 25 г/кг — солоноватой, свыше — солёной. Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки (в среднем около 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; многие моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное море 17-22 г/кг, Балтийское море 8-16 г/кг, Каспийское море 11-13 г/кг). Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг; в глубинных артезианских бассейнах минерализация воды колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных водах (до 600 г/кг). В пресных водах обычно преобладают ионы HCO^3-, Ca²⁺ и Mg²⁺. Содержание в воде ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ определяет её жёсткость. По мере увеличения общей минерализации растёт концентрация ионов SO₄^2-, Cl^-, Na⁺ и К⁺. В высокоминерализованных водах преобладают ионы Cl^- и Na⁺, реже Mg²⁺ и очень редко Ca²⁺. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.

Первоисточниками солей природных вод являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺ и др.) и выделяющиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO₂, SO₂, HCl, NH₃ и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с водой, зависит состав воды, на изучении которого основаны гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых. Большое значение для состава воды имеет и воздействие живых организмов. Из растворённых газов в природных водах присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, инертные газы, сероводород и углеводороды. Газонасыщенность подземных вод изменяется от n • 10 до n • 10³ см³/л. Количество растворённого газа прямо пропорционально давлению газа или парциальному давлению в смеси газов. При температуре до 100°С наблюдается обратная зависимость растворимости газов в воде, при температуре выше 100°С прямая. Газонасыщенность воды зависит также от величины минерализации, увеличение которой снижает растворимость газов. Наиболее распространёнными газами, растворёнными в подземных водах, являются CO₂, N₂, CH₄. Реже и в меньших количествах растворены О₂, Н₂S, Н₂, тяжёлые углеводороды, инертные газы и др. Наблюдается зональное распределение газов в подземной гидросфере по вертикали (сверху вниз): О₂ N₂ N₂ Н₂S — CO₂ — CH₄ — N₂ CH₄ — N₂ (или N₂ — CH₄) CH₄ — CO₂ — CH₄ Н₂S — CO₂ — CH₄ (в порядке преобладания). Концентрация органических веществ невелика — в среднем в реках около 20 мг/л, в океане около 4 мг/л. Исключение составляют воды болотных и нефтяных месторождений и воды, загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих воду, и соединения, образующиеся при распаде из их остатков.

При исследованиях закономерностей формирования и распространения природных вод, оценке возможностей их использования (в питьевых, хозяйственно-технических, промышленных, ирригационных, бальнеологических и др. целях), гидрогеохимических поисках месторождений (нефти, газа, полиметаллов, Br, I, В и т.д.) проводят их анализ. В водах определяют: физические и органолептические свойства (температуру, цвет, вкус, запах, мутность, прозрачность, плотность, электропроводность); содержание растворённых минеральных, органических, радиоактивных веществ, свободных газов; различные показатели (pH, Eh, жёсткость, окисляемость, агрессивность и др.); изотопный и микробиологический состав. Вид и методы анализов определяются целью исследований и требуемой точностью. При гидрогеохимических поисках руд определяют микрокомпоненты (Cu, Pb, Sn, Ag, Mo, Be, Rb, Cs, Mn, Zn и др.); при поисках и исследованиях нефти — органические вещества (кислоты, ароматические углеводороды, фенолы и др.), газы, индикаторную микрофлору; при изучении минеральных вод — специфические компоненты (As, Br, I, Fe, органические вещества и др.), газовый состав (CO₂, Н₂S, Н₂, О₂, Rn, N₂, CH₄); при исследованиях для водоснабжения, санитарного контроля воды — загрязняющие и токсические (Pb, As, Se, Sr и др.) вещества, бактериологические показатели; при оценке технической свойств воды — обесцвечиваемость, коагулируемость, коррозийные свойства, фильтруемость.

Воду анализируют методами аналитической химии: титриметрическими и инструментальными (колориметрия, фотометрия пламени, фотоколориметрия, спектрофотометрия, потенциометрия, радиометрия, хроматография и др.). Бактериологические анализы выполняют методами прямого счёта на мембранных фильтрах и др. Для обеспечения максимальной сохранности состава воды при анализах разработаны правила отбора, предварительной обработки и консервации (подкисление, хлороформирование, охлаждение и др.) проб. Лимитируются сроки хранения проб воды до анализа. Для анализа воды с малым содержанием компонентов применяют концентрирование, экстракцию и др.

Применение воды. Невозможно указать другое вещество, которое бы находило столь разнообразное и широкое применение. Вода — химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей, кислот, спиртов, альдегидов, гашёной извести и др. Вода используется как технологический компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации и т.д. Воду применяют в многочисленных производственных процессах. В технике вода служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (нагревание, охлаждение), рабочим телом (паровые машины). Природные воды употребляют для питьевого и хозяйственного водоснабжения, теплоснабжения (см. Термальные воды), в бальнеологии (см. Минеральные воды), для извлечения из них ценных компонентов (см. Рассолы) и т.п. При производстве горных работ воду используют для транспортирования горных пород и полезных ископаемых в шахтах и карьерах (см. Гидравлический транспорт), для передачи давления и мощности при бурении забойными двигателями, а также для промывки скважин и др. При разработке обводнённых месторождений полезных ископаемых комплексно решаются вопросы водозащиты горных выработок, водопонижения, водоотлива, барража, дренажа, защиты оборудования от действия агрессивных вод и использования воды (например, для гидравлического разрушения горных пород, гидравлической закладки выработанного пространства, пылеподавления, заиливания, противопожарных мероприятий, заводнения месторождений нефти). С применением воды проводятся обогащение полезных ископаемых, их сортировка и т.п.

Изменение свойств воды (так называемая магнитная обработка) используется для улучшения процессов флотации, очистки воды от взвесей и др. В результате промышленного использования воды возникает необходимость введения водооборотных систем, бессточных технологий и очистки воды. При сбрасывании сточных вод в природные водоёмы очистка производится до норм предельно допустимых концентраций растворённых веществ и проводятся мероприятия по охране гидросферы, охране подземных вод (см. Очистка вод). В CCCP потребление водных ресурсов регламентируется Основами водного законодательства CCCP и союзных республик. Существуют также международные соглашения по охране водных ресурсов в рамках СЭВ, OOH и других межправительственных организаций.