ВОДА (а. Water; н. Wasser; ф. Eau; і. Agua) - широко поширене в природі найпростіше, стійке в звичайних умовах хімічна сполука водню з киснем , Н2О (11,19% водню і 88,81% кисню, по масі); безбарвна рідина (в товстих шарах - блакитного кольору) без запаху і смаку. Воді належить найважливіша роль в геологічній історії землі і виникнення життя, в формуванні фізичної та хімічної середовища, клімату і погоди. Вода - обов'язковий компонент практично всіх технологічних процесів. Ізотопний склад води. У зв'язку з існуванням двох стабільних ізотопів у водню 1Н і 2Н, зазвичай позначаються Н і D (дейтерій), і трьох у кисню (16о, 17О і 18О) відомо 9 ізотопних різновидів води. Особливий інтерес представляє важка вода D2О. Див. Табл.
Фізичні властивості води і їх аномалії визначаються тим, що її молекули об'єднуються в комплекси водневими зв'язками. Існує ряд гіпотетичних структурних моделей води, що вимагають подальшого уточнення.
Структура води відрізняється нестійкістю, тому що воднева зв'язок приблизно в 10 разів сильніше звичайного міжмолекулярної взаємодії (кут між зв'язками 104 ° 27 '). Структура води сильно залежить від характеру і концентрації домішок, присутніх в ній в іонної і молекулярної формах. Різні іони, молекули розчинених газів можуть змінювати структуру води, наприклад, атоми гелію і молекули водню можуть поміщатися в структурі води без порушення водневих зв'язків.
Розподіл електронної щільності в молекулі води таке, що створюються 4 полюси зарядів: 2 позитивних, пов'язаних з атомами водню, і 2 негативних, пов'язаних з електронними хмарами необобществлённих пар електронів атома кисню. Зазначені полюси зарядів розташовуються в вершинах тетраедра. Завдяки цій полярності вода має дипольний момент (1,86 D). Кристалічна структура звичайного льоду гексагональна, "пухка", в ній багато "порожнеч" (при щільній "упаковці" молекул води в кристалах льоду його щільність склала б близько 1600 кг / м3). У рідкої воді притаманна льоду зв'язок кожної молекули Н2О з чотирма сусідніми ( "ближній порядок") в значній мірі зберігається; проте "рихлість" структури при плавленні льоду зменшується, молекули "далекого порядку" потрапляють в "порожнечі", що веде до зростання щільності води.
Багато фізичні властивості води виявляють істотні аномалії. щільність води досягає максимального значення 1000 кг / м3 при + 3,98 ° С; при подальшому охолодженні вона зменшується, а при замерзанні стрибкоподібно падає, тоді як майже у всіх інших речовин кристалізація супроводжується збільшенням щільності. Вода здатна до значного переохолодження, тобто може залишатися в рідкому стані нижче температури плавлення (навіть при -30 ° С). в'язкість води, з ростом тиску зменшується, а не підвищується, як у інших рідин. Стисливість води вкрай невелика і з ростом температури зменшується. Деякі аномалії слабшають в міру мінералізації води і навіть зникають в насичених розчинах. Властивості води можуть значно змінюватися в залежності від природних умов, що існують у природі, або штучно створюваних (дія температури і тиску, магнітних полів).
Хімічні властивості води в звичайних умовах. Вода - досить стійке з'єднання, розпад молекул Н2О стає помітним лише вище 1500 ° С. Вода взаємодіє з багатьма основними і кислотними оксидами, утворюючи відповідно підстави і кислоти. Приєднання води до молекул ненасичених вуглеводнів лежить в основі промислового способу отримання спиртів, альдегідів, кетонів. Вода бере участь у багатьох хімічних процесах як каталізатор. Так, взаємодія лужних металів або водню з галогенами, багато окислювальні реакції не йдуть у відсутності хоча б незначних кількостей води.
Гази досить добре розчиняються у воді, якщо здатні вступати з нею в хімічні взаємодії (аміак, сірководень, сірчистий газ, двоокис вуглецю). Інші гази менш розчинні у воді. При зниженні тиску і підвищенні температури (до 80 ° С) розчинність газів у воді, зменшується. Багато гази при низьких температурах і підвищенні тиску не тільки розчиняються у воді, але і утворюють кристалогідрати.
Вода - слабкий електроліт, дисоціюють за рівнянням Н2O⇔H + + OH-, причому кількісною характеристикою електролітичноїдисоціації води служить іонний добуток води: Кв = Н + OH-, де Н + і OH- - концентрація відповідних іонів в г-іон / л; Кв становить 10-14 (22 ° С) і 72 • 10-14 (100єС). Вода розчиняє безліч кислот, підстав, мінеральних солей. Такі розчини проводять електричний струм завдяки дисоціації розчинених речовин з утворенням гідратованих іонів. Багато речовин при розчиненні в воді вступають з нею в реакцію обмінного розкладання, називається гідролізом. З органічних речовин у воді розчиняються ті, які містять полярні групи (-OH, -NH2, -COOH і ін.) І мають не дуже велику молекулярну масу. Сама вода добре розчинна (або змішується в усіх відношеннях) лише в обмеженому числі органічних розчинників. Однак у вигляді незначної домішки до органічних речовин вода присутня практично завжди і здатна різко змінювати фізичні константи останніх. У природі вода зустрічається зазвичай у вигляді розчинів.
Вода в природі. Природна вода є своєрідним мінералом , Що характеризується непостійним хімічним складом, наявністю різноманітних домішок, що змінюють її властивості, і служить об'єктом видобутку, переробки і використання в величезних кількостях (близько 3 • 1012 м3 / рік). Океани, моря, озера, водосховища, річки, підземні води , Грунтова волога утворюють водну оболонку (див. гідросфера ). В атмосфері вода знаходиться у вигляді пари, туману і хмар, крапель дощу і кристалів снігу.
У криолитозоне прісні і солонуваті підземні гравітаційні води знаходяться в вигляді підземного льоду, обумовлюючи існування мерзлих порід. Підземні льоди в мерзлих породах (особливо в дисперсних) змінюють їх фізичні властивості (різко підвищують механічну міцність, зменшують водопроникність і т.д.). Солоні підземні води і розсоли в криолитозоне мають негативні температури і відчувають при їх коливаннях зміни в складі. В земній корі міститься, за різними оцінками, від 1 до 1,3 млрд. км3 води. При цьому запаси прісних вод досить обмежені. Значна кількість води в земній корі знаходиться в зв'язаному стані, входячи до складу деяких мінералів і гірських порід ( гіпс , Гідратованих форми кремнезему, гідросилікати і ін.). Конституційна вода знаходиться в кристалічній решітці мінералів у вигляді іонів OH-, набагато рідше Н +, тобто утворюється лише при руйнуванні решітки мінералу. Кристаллизационная вода займає певні місця в структурі решітки мінералу у вигляді молекул Н2О. Частина кристалізаційної води, що виділяється без руйнування решітки і знову поглинається мінералом при зміні умов, називається цеолітної. Молекули адсорбційної води пов'язані з поверхнею мінеральних кристалів, утворюють гігроскопічний шар (в мінералах шаруватої структури містяться міжплощинні шари). У значних кількостях адсорбційна вода присутня в твердих колоїдах. Вода, що заповнює тонкі канальці в грунті, породі, називається гігроскопічної (капілярної). Розрізняють також вільну воду, що заповнює порожнечі, тріщини і переміщається під дією сили тяжіння.
Величезні кількості води (13-15 млрд. Км3) зосереджені в мантії Землі . Вода, що виділялася з мантії в процесі розігрівання Землі на ранніх стадіях її розвитку, за сучасними поглядами, сформувала гідросферу. Щорічне надходження води з мантії і магматичних вогнищ становить близько 1 км3 (див. ювенільні води ). Є дані про те, що вода, хоча б частково, має космічне походження: протони, що прийшли в верхню атмосферу від Сонця, захопивши електрони, перетворюються в атоми водню, які, з'єднуючись з атомами кисню, дають воду. Всі води Землі постійно взаємодіють між собою, а також з атмосферою, літосферою і біосферою. Вода - активний фактор ендогенних і екзогенних геологічних процесів, з водою тісно пов'язані процеси формування родовищ і мінералообразованіе.
У природних умовах кількісний склад домішок змінюється в залежності від походження води і геологічних умов. При концентрації солей до 1 г / кг воду вважають прісної, до 25 г / кг - солоноватой, понад - солоної. Найменш мінералізованими водами є атмосферні опади (в середньому близько 10-20 мг / кг), потім прісні озера і річки (50-1000 мг / кг). Солоність океану коливається близько 35 г / кг; багато моря мають меншу мінералізацію (Чорне море 17-22 г / кг, Балтійське море 8-16 г / кг, Каспійське море 11-13 г / кг). Мінералізація підземних вод поблизу поверхні в умовах надмірного зволоження становить до 1 г / кг, в посушливих умовах до 100 г / кг; в глибинних артезіанських басейнах мінералізація води коливається в широких межах. Максимальні концентрації солей спостерігаються в соляних озерах (до 300 г / кг) і глубокозалегающих підземних водах (до 600 г / кг). У прісних водах зазвичай переважають іони HCO3-, Ca2 + і Mg2 +. Зміст у воді іонів Ca2 + і Mg2 + визначає її жорсткість. У міру збільшення загальної мінералізації зростає концентрація іонів SO42-, Cl-, Na + і К +. У високомінералізованих водах переважають іони Cl- і Na +, рідше Mg2 + і дуже рідко Ca2 +. Інші елементи містяться в дуже малих кількостях, хоча майже всі природні елементи періодичної системи знайдені в природних водах.
Першоджерелами солей природних вод є речовини, які утворюються при хімічному вивітрюванні вивержених порід (Ca2 +, Mg2 +, Na +, К + і ін.) і виділяються на протязі всієї історії Землі з її надр (CO2, SO2, HCl, NH3 та ін.). Від розмаїття складу цих речовин і умов, в яких відбувалося їх взаємодія з водою, залежить склад води, на вивченні якого засновані гідрогеохімічні пошуки родовищ корисних копалин. Велике значення для складу води має і вплив живих організмів. З розчинених газів в природних водах присутні азот , Кисень, двоокис вуглецю, інертні гази, сірководень і вуглеводні . Газонасиченість підземних вод змінюється від n • 10 до n • 103 см3 / л. Кількість розчиненого газу прямо пропорційно тиску газу або парціальному тиску в суміші газів. При температурі до 100 ° С спостерігається зворотна залежність розчинності газів у воді, при температурі вище 100 ° С пряма. Газонасиченість води залежить також від величини мінералізації, збільшення якої знижує розчинність газів. Найбільш поширеними газами, розчиненими в підземних водах, є CO2, N2, CH4. Рідше і в менших кількостях розчинені О2, Н2S, Н2, важкі вуглеводні, інертні гази та ін. Спостерігається зональний розподіл газів в підземній гідросфері по вертикалі (зверху вниз): О2 N2 N2 Н2S - CO2 - CH4 - N2 CH4 - N2 (або N2 - CH4) CH4 - CO2 - CH4 Н2S - CO2 - CH4 (в порядку переваги). Концентрація органічних речовин невелика - в середньому в річках близько 20 мг / л, в океані близько 4 мг / л. Виняток становлять води болотних і нафтових родовищ і води, забруднені промисловими і побутовими стоками, де кількість їх буває вище. Якісний склад органічних речовин надзвичайно різноманітний і включає різні продукти життєдіяльності організмів, що населяють воду, і сполуки, що утворюються при розпаді з їх залишків.
При дослідженнях закономірностей формування і поширення природних вод, оцінці можливостей їх використання (в питних, господарсько-технічних, промислових, іригаційних, бальнеологічних та ін. Цілях), гидрогеохимических пошуках родовищ (нафти, газу, поліметалів, Br, I, В і т. д.) проводять їх аналіз. У водах визначають: фізичні та органолептичні властивості (температуру, колір, смак, запах, мутність, прозорість, щільність, електропровідність); зміст розчинених мінеральних, органічних, радіоактивних речовин, вільних газів; різні показники (pH, Eh, жорсткість, окислюваність, агресивність та ін.); ізотопний і мікробіологічний склад. Вид і методи аналізів визначаються метою досліджень і необхідною точністю. При гидрогеохимических пошуках руд визначають мікрокомпоненти (Cu, Pb, Sn, Ag, Mo, Be, Rb, Cs, Mn, Zn і ін.); при пошуках і дослідженнях нафти - органічні речовини (кислоти, ароматичні вуглеводні, феноли та ін.), гази, індикаторну мікрофлору; при вивченні мінеральних вод - специфічні компоненти (As, Br, I, Fe, органічні речовини і ін.), Газовий склад (CO2, H2S, Н2, О2, Rn, N2, CH4); при дослідженнях для водопостачання, санітарного контролю води - забруднюючі і токсичні (Pb, As, Se, Sr та ін.) речовини, бактеріологічні показники; при оцінці технічної властивостей води - обесцвечіваемость, коагуліруемость, корозійні властивості, фільтрованість.
Воду аналізують методами аналітичної хімії: титриметричних і інструментальними (колориметрия, фотометрія полум'я, фотоколориметрія, спектрофотометрія, потенціометрія, радіометрія, хроматографія та ін.). Бактеріологічні аналізи виконують методами прямого рахунку на мембранних фільтрах і ін. Для забезпечення максимальної схоронності складу води при аналізах розроблені правила відбору, попередньої обробки та консервації (підкислення, хлороформірованіе, охолодження та ін.) Проб. Лімітуються терміни зберігання проб води до аналізу. Для аналізу води з малим вмістом компонентів застосовують концентрацію, екстракцію та ін.
Застосування води. Неможливо вказати інша речовина, яке б знаходило настільки різноманітне і широке застосування. Вода - хімічний реагент, що бере участь у виробництві кисню, водню, лугів, кислот, спиртів, альдегідів, гашеного вапна і ін. Вода використовується як технологічний компонент для варіння, розчинення, розведення, вилуговування , Кристалізації і т.д. Воду застосовують у численних виробничих процесах. У техніці вода служить енергоносієм (гідроенергетика), теплоносієм (нагрівання, охолодження), робочим тілом (парові машини). Природні води вживають для питного і господарського водопостачання, теплопостачання (див. термальні води ), В бальнеології (див. Мінеральні води ), Для вилучення з них цінних компонентів (див. розсоли ) і т.п. При виробництві гірських робіт воду використовують для транспортування гірських порід і корисних копалин в шахтах і кар'єрах (див. гідравлічний транспорт ), Для передачі тиску і потужності при бурінні забійними двигунами, а також для промивання свердловин і ін. При розробці обводнених родовищ корисних копалин комплексно вирішуються питання водозащити гірничих виробок , водозниження , водовідливу , бараж , дренажу , Захисту обладнання від дії агресивних вод і використання води (наприклад, для гідравлічного руйнування гірських порід, гідравлічного закладання виробленого простору, пилоподавлення, замулювання, протипожежних заходів, заводнення родовищ нафти ). Із застосуванням води проводяться збагачення корисних копалин, їх сортування і т.п.
Зміна властивостей води (так звана магнітна обробка) використовується для поліпшення процесів флотації, очищення води від суспензій і ін. В результаті промислового використання води виникає необхідність введення водооборотних систем, безстічних технологій і очищення води. При скиданні стічних вод у природні водойми очищення проводиться до норм гранично допустимих концентрацій розчинених речовин і проводяться заходи з охорони гідросфери, охорони підземних вод (див. очищення вод ). У CCCP споживання водних ресурсів регламентується Основами водного законодавства CCCP і союзних республік. Існують також міжнародні угоди по охороні водних ресурсів в рамках РЕВ , OOH та інших міжурядових організацій.
