Цикл статей: Вода и водоочистка.

Статья 1. Всё о воде. Часть 1
Вода - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71% поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах).
Вода - является наиболее распространенным веществом в природе. В естественных условиях не существует чистой воды, в воде обязательно содержатся примеси. Чистая вода не имеет вкуса и запаха, прозрачна, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.
Свойства воды - это совокупность физических, химических, биохимических, органолептических, физико-химических и других свойств воды.
Физические свойства воды
- Состояние (ст.усл.): жидкость
- Плотность: 0,9982 г/куб.см
- Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,00101 Па•с (при 20°C)
- Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,01012 кв.см/с (при 20°C)
Термические свойства воды:
- Температура плавления: 0°C
- Температура кипения: 99,974°C
- Тройная точка: 0,01 °C, 611,73 Па
- Критическая точка: 374°C, 22,064 MПа
- Молярная теплоёмкость(ст.усл.): 75,37 Дж/(моль•К)
- Теплопроводность(ст.усл.): 0,56 Вт/(м•K)
Агрегатные состояния воды:
- Твёрдое - лёд.
- Жидкое - вода.
- Газообразное - водяной пар.
При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0°C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100°C.
При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения - падает.
При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды.
При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.
При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды - падает.
При температуре 374°C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают.
При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.
Так же возможны метастабильные состояния - пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0°C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.
Вода обладает рядом необычных особенностей:
- При таянии льда, его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/куб.см). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
- При нагревании от 0°C до 4°C (точнее 3,98°C), вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4°C, более холодная вода, как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а под льдом сохраняется положительная температура.
- Высокая температура и удельная теплота плавления (0°C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100°C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
- Высокая теплоёмкость жидкой воды.
- Высокая вязкость.
- Высокое поверхностное натяжение.
- Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.
Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода - каждый в одной, а атом кислорода - в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
Чистая (не содержащая примесей) вода - хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO - составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
Химические свойства воды
- Систематическое наименование: оксид водорода
- Традиционные названия: вода
- Химическая формула: Н2O
- Молярная масса: 18,01528 г/моль
Вода является наиболее распространённым растворителем на Земле, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.
Воду, иногда рассматривают, как амфолит - и кислоту, и основание одновременно (катион H+, анион OH-). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa - ок. 16. Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности, гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
Виды воды
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях - жидком, газообразном и твёрдом.
И в свою очередь приобретать самые разные формы, которые зачастую соседствуют друг с другом. Водный пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные ледники и горные же реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе много веществ, приобретая тот или иной вкус.
Из-за важности воды, «как источника жизни» её нередко подразделяют на типы.
Характеристики различных видов и типов воды:
По особенностям происхождения, состава или применения, выделяют, в числе прочего:
- Мягкая вода и жёсткая вода
- Подземные воды
- Талая вода - появляется при таянии льда и сохраняет температуру 0°C, пока не растает весь лёд .
- Пресная вода - противоположность морской воды, охватывает ту часть доступной воды Земли, в которой соли содержатся в минимальных количествах, то есть, солёность которой не превышает 0,1%, даже в форме пара или льда называется пресной.
- Морская вода.
- Солоноватая вода.
- Минеральная вода.
- Дождевая вода.
- Питьевая вода, водопроводная вода.
- Лёгкая вода (просто вода), дейтериевая (тяжёлая вода) и тритиевая (сверхтяжёлая вода) - изотопные модификации воды. И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы, и в зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, определяют эти виды воды.
- Дистиллированная вода и деионизированная вода.
- Сточные воды.
- Ливневая вода или поверхностные воды.