Вода́, Н2O — хімічна речовина у вигляді прозорої, безбарвної рідини без запаху і смаку (в нормальних умовах). Є основною складовою гідросфери Землі та рідин усіх відомих живих організмів (в яких вона діє як розчинник). Хімічна формула H2O, вказує на те, що кожна її молекула містить один атом кисню і два атоми водню, з'єднані ковалентними зв'язками, що приєднані до атома кисню під кутом 104,45°. Протонний розчинник.
«Вода» — це також назва рідкого стану H2O за стандартних температури і тиску (в межах Землі).
Загальний опис Одна з найпоширеніших речовин у природі та основна складова живих організмів. Це найпростіший гідрид кисню — моноксид водню (H2O). Безбарвна рідина, у великих кількостях — блакитного кольору (т. пл. 0 °C, т. кип. 100 °C, густина при 0 °C 0,99987 г см−3) без запаху та смаку. Максимальна густина при 4 °C — 1,0000 г см−3. Вода у твердому стані (лід) має виключно тетраедричне розташування атомів O (залежно від деталей геометрії їх розташування розрізняють три форми льоду). Водневі зв'язки й залишковий порядок зберігаються і в розчині. Утворює гідрати з багатьма солями. До катіонних центрів приєднується вільними електронними парами, до аніонних — через утворення водневих зв'язків. Як нейтральний оксид, слабко дисоціює на [Н3О]+ і [ОН]– (при 25 °C рК становить 13,997). Реагує з лужними й лужноземельними металами з утворенням гідроксидів та водню. З неметалічними оксидами (наприклад, SO3, P2O5) дає кислоти, з оксидами більшості електропозитивних металів — гідроксиди (наприклад, NaOH). Багато речовин при взаємодії з водою зазнають гідролізу — заміщення електронегативних замісників на гідроксильну групу. Вода здатна приєднуватися до полярних кратних зв'язків (ковалентна гідратація).
У природі існує у трьох агрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Молекула води складається з одного атома кисню і двох атомів водню. Атоми водню розташовані в молекулі таким чином, що напрямки до них утворюють кут 104,45° із вершиною в центрі атома кисню. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 дебаї. При заміні атомів водню (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.
Вода — одна із найголовніших речовин, потрібних для органічного життя. Рослини та тварини містять понад 60 % води за масою. На Землі водою покрито 70,9 % поверхні. Вона здійснює у природі постійний колообіг, випаровуючись з поверхні й повертаючись на неї у вигляді атмосферних опадів. Вода має велике значення для економіки: сільського господарства й промисловості. Прісні води, придатні для пиття, становлять лише 2,5 % від загальної кількості води на Землі. Нестача води може стати однією з найгостріших проблем людства в найближчі десятиліття.
Поширення в природі
У Всесвіті Хімічні елементи, які входять до складу води, водень і кисень належать до найпоширеніших у природі. Утворення води з цих елементів відбувається там, де густина газів достатньо велика і зіткненням між атомами достатньо ймовірне. Вода виявлена в складі міжзоряних газових хмар, що лежать у межах нашої галактики — Чумацького Шляху.
У Сонячній системі Одним з найважливіших питань, пов'язаних з освоєнням космосу людиною і можливістю виникнення життя на інших планетах, є питання про наявність води за межами Землі в достатній концентрації. Відомо, що деякі комети більше, ніж на 50 % складаються з водяного льоду. Не варто, втім, забувати, що не будь-яке водне середовище придатне для життя — зокрема, акумуляторна батарея містить 25 %-ий розчин сірчаної кислоти у воді (але життя в ньому, очевидно, є малоймовірним, тим більше, його виникнення).
У результаті бомбардування місячного кратера, проведеного 9 жовтня 2009 року НАСА з використанням космічного апарата LCROSS, вперше були отримані достеменні свідчення наявності на супутнику Землі водяного льоду у великих обсягах.
Точно з'ясовано, що вода у замерзлому стані є на поверхні Марса.
Рідка вода, імовірно, є під поверхнею деяких супутників планет, найімовірніше, на Європі, супутнику Юпітера.
На Землі
Вода належить до найпоширеніших речовин на Земній куліЗагальна гідрологія / За ред. В. К. Хільчевського та О. Г. Ободовського. — К.: ВПЦ «Київський університет», 2008. — 399 с.. Водою вкрито близько 2/3 поверхні земної кулі (океани, моря, озера, річки). Значна її кількість у вигляді льоду і снігу вкриває високі гори й величезні простори Арктики та Антарктиди. Багато води в атмосфері — пара, туман і хмари. Значні кількості води містяться і в земній корі у вигляді підземних вод. У природі вода перебуває не тільки у вільному стані, а і в хімічно зв'язаному.
Вода входить до складу багатьох гірських порід і всіх рослинних і тваринних організмів. На воду припадає близько 60 % маси тварин і до 80 % маси риб. У деяких рослинах вміст води іноді перевищує 90 % їхньої маси.
Більшість запасів води на Землі знаходяться в морях і океанах, прісна вода становить 2,5-3 % від загального об'єму гідросфериХільчевський В. К., Осадчий В. І., Курило С. М. Основи гідрохімії. — К.: Ніка-Центр, 2012. — 312 с. — ISBN 978-966-521-559-2.
Вчені припускають, що перші поклади води в мантії Землі з'явилися приблизно 2,7 млрд років тому. Вважається, що воду занесли астероїди на ранній стадії утворення планети близько 4 млрд років тому.
Фізичні властивості
Чиста вода — безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. На землі вода існує в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому та газоподібному. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100 °С — кипить, перетворюючись у пару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0 °С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.
У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.
Найбільшу густину вода має при +4 °С. Масу 1 см³ чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0 °С розширюється. Тому лід легший від води (на 8 %) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.
Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі 0,01 °C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01 °C точне — на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (SI), кельвіна. Проте відповідно до запропонованих змін у SI, коли значення сталої Больцмана та числа Авогадро буде зафіксовано, температура потрійної точки води буде визначатися з похибкою.
Вода характеризується великою питомою тепломісткістю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град або приблизно 4200 Дж/кг°С. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островах рівномірніший, ніж на материках. Питома теплота пароутворення складає 2,4 МДж/кг, питома теплота плавлення льоду (λ) дорівнює 332 кДж/кг.
Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що її молекули мають значний дипольний момент (1,844 Дебая). Оскільки атоми кисню є більш електронегативними, ніж атоми водню, вони відтягують на себе електронну густину ковалентних зв'язків у молекулах води. Через це на перших (O) виникає частковий негативний заряд (2δ-), а на других (H) — вдвічі менший за значенням позитивний заряд (δ+). Внаслідок електростатичного притягування між атомами водню й кисню сусідніх молекул води, між ними формується водневий зв'язок. Завдяки такій взаємодії конденсація води відбувається при порівняно високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню і вуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють.
У будь-який момент часу в рідкій воді більшість молекул утворюють водневі зв'язки, проте час життя кожного з них дуже короткий (від 1 до 20 пс). Після руйнування одного зв'язку наступний, із тим же або іншим партнером, утворюється приблизно через 0,1 пс. Тимчасові групи молекул води, сполучених між собою водневими зв'язками, називають «кластерами, що мигають». Сила водневих зв'язків досить невелика (енергія розриву 23 кДж/моль), проте вони дуже суттєво впливають на властивості води, через їх велику кількість.
Завдяки своїй формі молекули води можуть сполучатись водневими зв'язками із чотирма іншими. Саме таким чином вони організовані у кристалах льоду. Проте в рідкій воді молекули менш впорядковані та перебувають у стані постійного руху, тому середня кількість зв'язків, що утворюються кожною із них, в будь-який момент часу становить 3,6.
У воді виявлено наявність когерентних далекодійних диполь-дипольних взаємодій, як в льоду. Це означає, що структура рідкої води має більше схожості з льодом, ніж вважалося раніше. Великий асортимент і просторове поширення когерентних режимів свідчить про існування широкої мережі водневих зв'язків, на відміну від більш ранніх уявлень про структуру води, які розглядали подібну динаміку тільки для невеликих молекулярних кластерівElton, DC & Fernández-Serra, M. The hydrogen- bond network of water supports propagating optical phonon-like modes. Nature Commun. 7: 10 193 doi: 10.1038 / ncomms10193 (2016).
Вода як розчинник
Вода — це полярний розчинник, у ній добре розчиняються полярні й заряджені сполуки, які ще називають гідрофільними. Речовини, що складаються із неполярних молекул, у воді не розчиняються, їх називають гідрофобними. Гідрофобними, а отже і погано розчинними, зокрема є такі гази як кисень і вуглекислий газ. Тому багато живих організмів, в тому числі й людина, мають спеціальні транспортні білки, такі як гемоглобін та міоглобін, для перенесення кисню по тілу, а вуглекислий газ в крові перебуває у формі бікарбонату (HCO).
Здатність води ефективно розчиняти полярні й заряджені речовини зумовлена високою діелектричною проникністю, її діелектрична стала при температурі 25 °C становить 78,5 (для порівняння діелектрична стала неполярного розчинника бензену при тій же температурі 4,6). Це означає, що вода може ефективно екранувати електростатичні взаємодії між розчиненими іонами. Наприклад, під час розчинення хлориду натрію молекули води утворюють гідратні оболонки навколо іонів Na+ і Cl-, таким чином стабілізують їх, частково нейтралізують їхні заряди, і не дозволяють взаємодіяти одне з одним утворюючи кристали.
Існують також амфіфільні речовини, молекули яких мають гідрофобну і гідрофільну частини. Коли такі речовини потрапляють у воду, їхні полярні частини вступають у взаємодію з молекулами води, в той час як гідрофобні навпаки такої взаємодії уникають. Таким чином завдяки так званим гідрофобним взаємодіям амфіфільні речовини формують у воді міцели.
Прозорість води
Чиста вода — прозора речовина з показником заломлення у видимому діапазоні 1,33. Вода, проте поглинає електромагнітні хвилі в інфрачервоній та ультрафіолетовій ділянах спектра.
Прозорість води залежить від товщини шару, через яку проходить світло, від кольоровості й мутності води, тобто від вмісту в ній різних забарвлених завислих мінеральних і органічних речовин.
Мірою прозорості слугує висота стовпа води, за якої можна спостерігати білий диск-прозоромір певних розмірів, що його занурюють у воду, або розрізняти на білому папері стандартний шрифт певного розміру та типу. Результати виражаються в сантиметрах із зазначенням способу вимірювання. За ступенем прозорості води поділяють на: 1) прозорі; 2) слабко прозорі; 3) слабко каламутні; 4) каламутні; 5) сильно каламутні.
Хімічні властивості Молекули води мають слабку здатність до зворотної іонізації шляхом розпаду на протон H+ і гідроксид-іон OH-: H2O H+ + OH-;