Вода — химическое вещество H₂O¶

Вода (химическая формула H₂O) — химическое вещество, молекула которого состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Наи распространённое на Земле соединение, находящееся в трёх агрегатных состояниях: твёрдом (лёд), жидком и газообразном (водяной пар). Является основой всех живых организмов и ключевым компонентом биосферы.

¶Строение молекулы

Молекула воды состоит из трёх атомов: кислорода (O) и двух атомов водорода (H). Длина связи O–H составляет около 0,0958 нм, угол между связями — примерно 104,5°. Такая форма обусловлена двумя неподелёнными электронными парами атома кислорода, которые отталкивают пары связывающие атомы водорода.

Молекула полярна: кислород обладает большей электроотрицательностью (3,44 по шкале Полинга), чем водород (2,20), поэтому заряд смещён к атому кислорода. Это создаёт дипольный момент 1,85 Д и определяет большинство физических и химических свойств воды.

¶Физические свойства

Вода обладает рядом аномальных свойств по сравнению с другими гидридами элементов VI группы (H₂S, H₂Se, H₂Te):

• Аномально высокая температура кипения. Без водородных связей точка кипения H₂O составляла бы около −80 °C.
• Плотность льда ниже плотности жидкости. При замерзании молекулы образуют открытую кристаллическую решётку, где расстояние между молекулами больше, чем в жидкой фазе. Поэтому лёд плавает, а максимальная плотность воды достигается при 4 °C.
• Высокая теплоёмкость — вода способна поглощать значительное количество тепла без резкого изменения температуры.
• Высокое поверхностное натяжение (72,8 мН/м при 20 °C) — одно из наибольших среди жидкостей.

¶Водородные связи

Основу аномальных свойств воды составляют водородные связи. Атом кислорода одной молекулы притягивает атомы водорода соседних молекул, формируя динамическую трёхмерную сеть. В жидкой воде каждая молекула в среднем образует 3,4 водородные связи, в льду — ровно четыре, что и обусловливает открытую структуру кристалла.

Эти связи объясняют также высокую растворяющую способность воды: полярные и ионные вещества (соли, сахара, спирты) легко гидратируются и переходят в раствор.

¶Агрегатные состояния

Вода проявляет наибольшее число известных твёрдых фаз среди простых веществ. По состоянию на начало XXI века известно не менее 17 кристаллических модификаций льда, различающихся условиями образования (лёд Ih — обычный, лёд II, III, V, VI, VII, IX и другие). При сверхвысоких давлениях вода образует аморфные фазы (аморфный лёд Ic, Ih).

При нормальном давлении вода существует в диапазоне 0–100 °C в жидкой фазе, но при пониженном давлении возможен переход напрямую из твёрдого состояния в газообразное (сублимация) и обратно (десублимация).

¶Химические свойства

Вода участвует в большинстве химических реакций:

• Диссоциация. При комнатной температуре лишь незначительная часть молекул ионизируется: H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻. Константа ионизации Kw = 1,01·10⁻¹⁴ (при 25 °C), pH чистой воды равен 7 (нейтральная среда).
• Реакции гидролиза — разложение солей слабых кислот или оснований.
• Реакции присоединения к алкенам, ангидридам, карбидам и другим соединениям.
• Окислительно-восстановительные реакции. Вода может выступать как окислитель (в реакциях с активными металлами: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑), так и восстановитель (при взаимодействии с фтором: 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂↑).

¶Вода в природе

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой; суммарный объём гидросферы оценивается в 1,386 млрд км³. Около 96,5 % приходится на солёную воду Мирового океана, 1,7 % — на ледники и вечную мерзлоту, менее 1 % — на пресные подземные воды, и менее 0,02 % — на поверхностные пресные воды (озёра, реки, болота).

Вода постоянно циклически перемещается между океаном, атмосферой и сушей — так называемый гидрологический цикл (испарение, конденсация, осадки, сток).

¶Роль в жизни

Вода составляет 60–80 % массы тела взрослого человека. Она служит растворителем для биохимических реакций, участвует в транспорте веществ, терморегуляции и поддержании структуры белков и мембран. Фотосинтез — основа пищевых цепей — происходит с участием воды: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

¶Тяжёлая вода

Тяжёлая вода (D₂O) — изотопное соединение, в котором атомы водорода замещены дейтерием. Обладает повышенной плотностью (1,1076 г/см³) и используется в ядерной энергетике в качестве замедлителя нейтронов. В природе содержится в воде в соотношении примерно 1:6400.

¶Источники

• Глинка Р. Л. Общая химия. — М.: Инфра-М.
• Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы.
• Краткая химическая энциклопедия / Под ред. Кнунянца И. Л.
• Львов Б. В. Вода и жизнь // Химия и жизнь.