Вода: определение, образование, свойства и применение

Значение на Земле

Без воздуха человек может прожить несколько секунд, без еды – несколько месяцев, без воды – максимум несколько суток. Снижение содержания воды в организме всего лишь на 2% может вызвать сильную слабость. При нехватке 8% уже может возникнуть серьезное недомогание, а при 12% – смерть.

Каждая клетка живого организма состоит из жидкости и нуждается в регулярном пополнении. Без воды не проживут ни люди, ни растения, ни животные.

Вода формирует климат, участвует в круговороте воды в природе, для многих живых организмов является средой обитания.

Исследования

Вода существует миллиарды лет, и, казалось бы, что о ней
знают все, но она все равно остается тайной. Создаются целые институты, которые
пытаются узнать, как сделать аналог воды, откуда она появилась на Земле и в
космосе. Они изучают ее влияние на жизнь, ландшафт, природу.

Происхождение воды на планете

Многих интересует, откуда все-таки взялась вода. Она
родилась четыре с половиной миллиарда лет назад в глубинах вселенной. Земля,
еще не полностью сформированная, состояла в основном из вулканов. Газы, богатые
водяным паром, выделялись в атмосферу, там образовывались облака. За
тысячелетия земля остыла, и пары, сгущаясь, падали обратно на земную кору в
виде дождя

Также формированию этого очень важного источника жизни,
способствовали падающие кометы, состоящие в основном изо льда и фрагментов
породы. Это явление способствовало образованию рек, озер и океанов, где
миллионы лет спустя появились бы первые формы жизни

Гидрология

Понять, как вода взаимодействует с атмосферой, как влияет на
жизнедеятельность, помогает наука гидрология. Она изучает, какая вода находится
в водной оболочке Земли. Гидрология помогает понять, как рационально управлять
водными объектами. Она составляет прогнозы состояния водных ресурсов, и дает им
оценку.

Гидрогеология

Наука, которая изучает подземные воды, гидрогеохимию
называется гидрогеология. Гидрогеологи занимаются поиском новых подземных
водных источников, изучают, как сделать воду из подземных источников полезной
для мелиорации, водоснабжения, природного ландшафта. Данные полученные учеными
помогают снизить негативные влияния деятельности людей, на подземные водные
источники.

Теперь вы знаете всю правду о воде, и понимаете, насколько
важно бережно к ней относится. Ведь если пропадет вода, то не станет и нас

Применение

Все люди на планете прекрасно знают, что жизнь без воды невозможна. Любое начало жизни изначально зарождается в воде.

Человек применяет воду:

  • для поддержании жизни (приготовления пищи, обеспечения организма водой);
  • для бытовых нужд (гигиены, уборки и т. д);
  • в сельском хозяйстве и животноводстве;
  • промышленности (используется при производстве продуктов питания, чугуна, стали, резины и т. д);
  • медицине;
  • химии (в качестве реагента для химических реакций, опытов, исследований);
  • рыболовстве;
  • для транспортировки людей и грузов;
  • для спорта;
  • в земледелии;
  • для пожаротушения;
  • служит источником энергии (электростанции).

Сколько жидкости в теле человека

Эмбрион человека состоит из жидкости не менее, чем на 97%. Когда ребенок рождается, вода составляет около 80% его тела. В первые несколько суток после рождения этот показатель существенно снижается.

В дальнейшем содержание воды в организме человека постоянно уменьшается. В пожилом возрасте в теле человека доля воды не превышает 50-60%.

Стоит отметить, что расчет считается приблизительным (может отличаться на 5-10%) Так как количество воды зависит от возраста, пола, физической активности, состояния здоровья.

Основные функции

Вода необходима каждому живому существу. Каждый живой организм состоит из клеток. Ключевую роль выполняет вода. Она составляет около 70 процентов от её массы. Рассмотрим кратко основные функции.

  • Растворитель. Большинство химических реакций протекают только в водной среде.
  • Транспортная функция. Переносит питательные вещества из одной части в другую.
  • Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
  • Регулирует терморегуляцию. Защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по организму.
  • Все обменные процессы в организме регулируются водой.

Польза чистой питьевой воды

Врачи, диетологи и другие специалисты часто совершают ошибку, когда слишком много внимания уделяют разным продуктам питания и забывают про воду. Любые вещества, даже самые питательные и полезные, могут оказаться совершенно неэффективными, если нет растворителя, способного доставить их в нужные части тела. На Земле есть только один простой, надежный и распространенный растворитель – вода.

Изначально природой заложено употреблять чистую воду. Когда в организм вносится некая смесь, то пищеварительной системе приходится прикладывать много усилий, растрачивать много энергии, чтобы отделить все лишнее и получить воду. Кроме этого, высокое содержание сахара неизбежно провоцирует нарушение нормального обмена веществ.

Питьевая вода должна быть чистая, свежая, качественная, «живая». Т.е. это должна быть натуральная природная вода, которая при попадании в организм легко проникает во все клетки, служит эффективным растворителем. Она быстро доставляет все питательные вещества к тканям и органам.

Сколько нужно пить воды в день

Рекомендуется употреблять чистую воду без примесей 30-40 мл на 1 кг веса.

Количество рекомендуемой нормы зависит от физической активности, климата и веса.

Процентное содержание в органах

Вода в теле человека находится в разных субстанциях и никогда не смешивается в единое целое.

Жидкости больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно. Рассмотрим таблицу № 1.

Таблица № 1. Процент содержания в органах человека

Органы Процент содержания
Мозг 90
Лёгкие 86
Печень 86
Кровь 83
Яйцеклетки 90
Кости 72
Кожа 72
Сердце 75
Желудок 75
Селезёнка 77
Почки 83
Мышцы 75

Признаки обезвоживания

Если содержание воды резко меняется в одну или другую сторону, то это сразу сказывается на общем состоянии здоровья. Чрезмерное количество воды организм переносит намного легче, чем ее нехватку. Рассмотрим основные симптомы проявления нехватки воды в организме человека.

  1. Жажда – первый сигнал нехватки жидкости в организме.
  2. У человека возникают твердые каловые массы и запоры.
  3. Появляется усталость и слабость.
  4. Возникают головные боли и головокружения.
  5. Кожа становится сухой.
  6. Состояние может сопровождаться сильным упадком настроения (вплоть до тяжелой депрессии).

При длительном сохранении такого состояния могут возникнуть проблемы:

  • с артериальным давлением;
  • нарушением пищеварения;
  • заболеваниями органов ЖКТ;
  • может появиться диабет, ожирение (или наоборот – истощение, дистрофия);
  • появляются зрительные и слуховые галлюцинации (при потери воды 10%);
  • сильное обезвоживание может привести к смерти.

Образование воды

Многих интересует, какая вода находится в реках, морях, под землей. Образовавшаяся миллиарды лет назад вода сконцентрировалась в океанах. Из океанов она испаряется и поднимается, где образуются облака. После долгого путешествия она возвращается на землю в виде осадков. Вода собирается и возвращается через реки обратно в море. Часть просачивается в почву и попадает в грунтовые воды. Там формируются новые источники, которые текут в море.

В более холодном климате вода остается на ледниках, которые очень медленно, стекают к более низким высотам, где и тают. В полярных регионах этот механизм скольжения настолько медленный, что в ледниках можно найти воду, попавшую на поверхность Земли десятки тысяч лет назад. Вот откуда берется в природе вода.

Полярность облигаций

В молекуле фтороводорода (HF) более электроотрицательный атом ( фтор ) показан желтым цветом. Поскольку электроны проводят больше времени у атома фтора в связи H-F, красный цвет представляет частично отрицательно заряженные области, а синий — частично положительно заряженные области.

Не все атомы притягивают электроны с одинаковой силой. Величина «притяжения», которую атом оказывает на свои электроны, называется его электроотрицательностью . Атомы с высокой электроотрицательностью, такие как фтор , кислород и азот  , сильнее притягивают электроны, чем атомы с более низкой электроотрицательностью, такие как щелочные и щелочноземельные металлы . В связи это приводит к неравному распределению электронов между атомами, поскольку электроны будут притягиваться ближе к атому с более высокой электроотрицательностью.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, неравное распределение электронов внутри связи приводит к образованию электрического диполя : разделению положительного и отрицательного электрического заряда. Поскольку количество заряда, разделенного в таких диполях, обычно меньше, чем основной заряд , они называются частичными зарядами , обозначаемыми как δ + ( дельта плюс) и δ- (дельта минус). Эти символы были введены сэром Кристофером Инголдом и доктором Эдит Хильдой (Ашервуд) Ингольд в 1926 году. Дипольный момент связи рассчитывается путем умножения количества разделенных зарядов на расстояние между зарядами.

Эти диполи в молекулах могут взаимодействовать с диполями в других молекулах, создавая .

Классификация

Связи могут находиться между одной из двух крайностей — быть полностью неполярной или полностью полярной. Полностью неполярная связь возникает, когда электроотрицательности идентичны и, следовательно, имеют нулевую разность. Полностью полярная связь более правильно называется ионной связью и возникает, когда разница между электроотрицательностями достаточно велика, чтобы один атом фактически забирал электрон у другого. Термины «полярный» и «неполярный» обычно применяются к ковалентным связям , то есть связям, полярность которых не является полной. Для определения полярности ковалентной связи с помощью числовых средств используется разность электроотрицательностей атомов.

Полярность связи обычно делится на три группы, которые основаны на разнице в электроотрицательности между двумя связанными атомами. По :

  • Неполярные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами меньше 0,5.
  • Полярные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами составляет примерно от 0,5 до 2,0.
  • Ионные связи обычно возникают, когда разница в электроотрицательности между двумя атомами превышает 2,0.

Полинг основал эту схему классификации на частичном ионном характере связи, который является приблизительной функцией разницы в электроотрицательности между двумя связанными атомами. Он оценил, что разница в 1,7 соответствует 50% ионному характеру, так что большая разница соответствует связи, которая является преимущественно ионной.

В качестве квантово-механического описания Полинг предположил, что волновая функция полярной молекулы AB представляет собой линейную комбинацию волновых функций ковалентных и ионных молекул: ψ = aψ (A: B) + bψ (A + B — ). Величина ковалентного и ионного характера зависит от значений квадратов коэффициентов a 2 и b 2 .

Какое строение имеет молекула воды

Долгое время химики считали воду простым соединением, не вступающим в сложные реакции.

Состав воды как сложного вещества был установлен Лавуазье в 1783 г.

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость. Они определяют химические и физические свойства соединений.

Молекула воды, картинка № 1

По форме молекула воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два атома водорода.Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.

Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм, угол между связями Н—О—Н равен 104,5°.

Значения эффективных зарядов на атомах составляет ±0,17 от заряда электрона.

Свойства

Влияние воды на жизнь на земле огромное. Это среда обитания
для многих организмов. Она является хорошим растворителем не только для солей,
но и для многих других веществ. Например, питательные соли присутствуют в почве
в виде ионов, то есть в растворенном виде. Только в таком виде растения могут
поглощать их через корни. Поэтому не случайно вода— это источник жизни на
земле.

Вода является важным источником химических и биохимических
реакций, например, для фотосинтеза. Это заметно, когда растение увядает из-за
потери воды, а листья и цветы опадают. Не зря говорят, что вода—это главный
источник жизни.

Физические свойства

Что мы все знаем о воде? То, что она состоит из одного атома
кислорода и двух атомов водорода, знают все, а вот о том что они притягиваются,
друг к другу водородной мостиковой связью знают не все. Эта связь объясняет ее
основные свойства.

  • Н2О имеет высокое поверхностное натяжение, то есть
    тенденцию принимать сферический объем.
  • Другим свойством является капиллярность. Молекула H2O
    способна перемещаться в очень узких пространствах.
  • Удельная теплоемкость у нее примерно в 4 раза больше,
    чем у воздуха. Это определяет устойчивость к изменениям температуры.
  • Плотность воды увеличивается с понижением температуры,
    примерно до 4 С. Ниже этого порога плотность уменьшается.
  • Она обладает минимальной вязкостью при высоких
    давлениях. Поэтому, чем больше давление, тем легче ей проникать.

Агрегатные состояния

В нормальных условиях вода, является жидкостью. Это
единственное известное вещество, которое существует в природе во всех трех
классических состояниях материи: жидком, твердом, газообразном.

Кстати, термин вода используется для жидкого агрегатного
состояния. В твердом, то есть в замороженном состоянии, она называется льдом, в
газообразном состоянии— водяным паром или просто паром. Существует порог, где
при определенных температурах и равновесного давления три состояния могут
сосуществовать одновременно.

Оптические свойства

Когда свет пересекает границу раздела вода-воздух, полное
отражение происходит под углом 49 град. Это означает, что световые лучи,
попадающие на граничную поверхность, не излучаются из воды, а отражаются.

Преломление света приводит к оптическим иллюзиям. Поэтому
под водой объекты видятся не в том месте, где они находятся на самом деле. То
же самое происходит если смотреть через воду на воздух. Светопропускная
ценность воды обеспечивает присутствие в ней водорослей и растений, которым
необходим свет для жизни. Длинноволновый (красный) свет поглощается сильнее,
чем коротковолновый (синий) свет.

Изотопные модификации

Молекулы воды состоят из разных изотопов кислорода и
водорода, каждый из которых встречается в разных концентрациях. В определенных
процессах, таких как образование осадков и фазовые переходы, происходит
фракционирование изотопов, то есть Н2О меняет свой изотопный состав. В
зависимости от условий окружающей среды и исходного состава это приводит к
определенным изотопным сигналам, которые могут выступать в качестве своего рода
отпечатка пальца для различных процессов и областей происхождения. Эта
методология используется в гидрогеологии и палеоклиматологии.

Химические свойства

Вода амфотерна, в зависимости от окружающей среды, может
действовать как кислота и основание. В водных растворах сильные кислоты и
сильные основания полностью диссоциируют на ионы H 3 O + и O H. Это называется
выравнивающим эффектом воды. Чтобы иметь возможность различать очень сильные
кислоты по кислотности, константы равновесия определяют в неводных растворах, и
переносят в растворитель воду.

Многих интересует, вода является органическим веществом или
неорганическим. С точки зрения химии, она относится к неорганическим веществам.
Поскольку, в органики должен присутствовать углерод, а в воде его нет.

Волновая функция основного состояния воды

Под водой скорость звука в 4,4 раза выше, чем у поверхности,
и составляет 1483 м /с при температуре 20 С. Поэтому пространственное
восприятие звука под водой сильно затруднено, мозг просто не успевает
обработать информацию

Важно знать, что звук под водой не только проходит
быстрее, но также в большей степени чем в воздухе зависит от частоты. Поэтому
глубокие частоты, такие как звуки больших морских двигателей, часто могут быть
услышаны драйверами на расстоянии нескольких километров

Строение молекулы в различных агрегатных состояниях

Вода может быть в нескольких состояниях:

Существуют также и переходные состояния жидкости, которые возникают при замерзании или испарении.

Строение молекулы воды, водородная связь способствует расположению молекул воды. Рассмотрим особенности каждого агрегатного состояния по отдельности.

Представляет собой твердое состояние воды.

Молекулы воды образуют слои, причём каждая молекула связана с тремя молекулами в своём слое и с одной молекулой соседнего слоя. Расстояние между атомами кислорода ближайших молекул равно 0,276 нм.

Атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода: с двумя, расположенными на расстоянии 0,096 — 0,102 нм посредством валентных связей, и с двумя другими, находящимися на расстоянии 0,174 — 0,180 нм посредством водородных связей.

Жидкая вода

В отличие от структуры льда структура жидкой воды исследована ещё недостаточно.

Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром.

В результате изучения молекулы воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей было видно, что при температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах.

При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Водяной пар

Это газообразное агрегатное состояние воды.

При данном состоянии молекула воды не имеет структуры и состоит преимущественно из мономерных молекул воды, которые находятся на расстояние относительно друг друга.

Химические свойства

Вода и ее свойства — важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

  1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
  2. Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
  3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими — наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
  4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
  5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
  6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO4*5H2O), а также обычные гидраты (NaOH*H2O и другие).
  7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
  8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы — водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода — это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

Свойства

Речная (пресная) вода содержит до 0,5 г растворенных солей в одном литре. Все это попадает в море. Таким образом, море, испаряя чистую воду, взамен получает воду с растворенными в ней веществами. Количество солей, поступающих из рек в моря и океаны, огромно. Например, река Дон ежегодно вносит в Азовское море около 16 миллионов тонн солей, Дунай в Черное море – 9 миллионов тонн.
При определении качества питьевой воды важны сенсорные (органолептические) свойства: температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость. Питьевая вода должна быть эпидемиологически безопасной, безвредной по своему химическому составу и полезной по своим органолептическим свойствам. Чтобы природную воду можно было использовать для питья, ее обычно очищают. Для этого используются как физические (фильтрация, отстаивание), так и химические (хлорирование, озонирование) методы. Лед.

.  
Рисунок 17 – Микроизображение объемной структуры воды.
 
Теория Зенина хорошо объясняет проводящие свойства воды, уменьшение плотности при плавлении, но плохо объясняет большие значения коэффициента самодиффузии и малое время диэлектрической релаксации.
 
Интересно, что, по словам Зенина, если степень возмущения структурных элементов воды недостаточна для перестройки всей структуры, то после снятия возмущения система расслабляется в течение 30-40 минут, прежде чем вернуться в исходное состояние. Если переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды окажется энергетически выгодным, это влияние будет отражено в новом состоянии.
 
Альтернативную, но похожую теорию выдвинул М. Чаплин. В его теории структурными элементами являются икосаэдры. Согласно расчетам Лободы и Гончарука, кластеры демонстрируют увеличение стабильности в ряду (H2O)20 Свойства

Газы обычно плохо растворимы в воде. Исключение составляют газы, взаимодействующие с водой, такие как аммиак, хлористый водород и диоксид серы. Растворимость всех газов увеличивается с ростом давления и обычно уменьшается при нагревании. На протяжении веков вода считалась простым веществом. Только в 1783 году французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743-1794) удалось его растворить. Он показал, что вода состоит из водорода и кислорода, а в 1789 году дал первую оценку ее количественного состава: 15% водорода и 85% кислорода. Позже многие ученые проводили количественный анализ воды. Долгое время результаты французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778-1850), полученные около 1808 года, считались образцовыми: 13,27% водорода и 86,73% кислорода. Только в 1821 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) и французский физик и химик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) провели более правильный анализ воды и обнаружили, что она содержит 11,1% водорода и 88,9% кислорода, что очень близко к современным значениям (11,19% водорода и 88,81% кислорода).