Вода - самое распространенное вещество на планете. От строения ее молекулы зависят уникальные свойства этого соединения, благодаря которым возможна жизнь на Земле. Давайте разберемся, почему молекула Н2О так необычна.
История изучения молекулы воды
Вода издревле считалась одной из основных стихий мироздания. Так, еще Аристотель полагал, что вода является источником холода и влаги. Однако лишь в XVIII веке ученые пришли к выводу, что вода не является неделимым элементом, а представляет собой "молекула воды" - соединение более простых веществ.
В 1783 году Антуан Лавуазье повторил опыты Генри Кавендиша и обнаружил, что при электрическом разряде вода разлагается на кислород и некое "горючее вещество", названное позднее водородом.
Лавуазье также впервые определил количественный состав воды - 15% водорода и 85% кислорода по массе. Это фундаментальное открытие позволило сформулировать первые представления о молекулярной структуре воды. В начале XIX века были проведены более точные анализы, установившие соотношение элементов в молекуле воды 11,2% водорода и 88,8% кислорода. Эти данные полностью подтверждаются современными исследованиями.
Химическое строение и свойства
Современная модель строения молекулы воды выглядит следующим образом: в основе лежит центральный атом кислорода, к которому посредством ковалентных связей присоединены два атома водорода. Угол между связями составляет 104,5°.
Важную роль в формировании свойств воды играют водородные связи. Из-за смещения электронных облаков к электроотрицательному кислороду, на атомах водорода возникают положительные заряды. Они притягивают отрицательно заряженные неподеленные электронные пары на соседних молекулах.
В итоге молекула воды приобретает свойства диполя:
- два положительных полюса на атомах водорода;
- два отрицательных полюса на неподеленных электронных парах кислорода.
Благодаря дипольности молекулы Н2О могут эффективно притягиваться друг к другу и образовывать разнообразные ассоциаты.
Физические свойства
Вода обладает аномально высокими по сравнению с другими веществами значениями физических констант. Так, ее теплоемкость составляет 4,2 Дж/(г·°C) при 25°C, что почти вдвое выше, чем для большинства других жидкостей.
Кроме того, для перехода жидкой воды в газообразное состояние требуется затратить большое количество энергии - 2257 кДж/кг при 100°C. Это объясняется наличием прочных водородных связей между молекулами Н2О. Подобные особенности воды существенно влияют на климат Земли и являются необходимым условием для развития жизни.
Растворимость веществ в воде
Высокая полярность молекул H2O определяет ее хорошие растворяющие свойства. Вода - прекрасный растворитель для ионных соединений и веществ с полярным строением молекул. Так, в воде хорошо растворяются соли, основания и кислоты, образующие при диссоциации ионы. Например:
- NaCl → Na+ + Cl-
- HCl → H+ + Cl-
Заряженные частицы эффективно взаимодействуют с диполями воды.
Кроме того, вода растворяет газы, что имеет большое экологическое значение. Так в атмосфере образуются кислотные дожди.
Вода в природе
Подавляющее большинство воды на Земле сосредоточено в Мировом океане, на долю пресных вод приходится менее 1%.
| Мировой океан | 1 338 000 000 км3 |
| Ледники и постоянный снег | 24 064 000 км3 |
| Подземные воды | 8 400 000 км3 |
Однако запасы пресной воды имеют первостепенное значение для человечества.
Вода в промышленности
Вода широко используется во всех отраслях промышленности:
- Для охлаждения оборудования и теплообменных процессов;
- В качестве растворителя и экстрагента;
- Для получения пара в энергетике.
Кроме того, она применяется при добыче полезных ископаемых, например для гидравлического разрыва пласта.
Вода в быту
В быту вода используется для:
- Приготовления пищи;
- Гигиенических процедур;
- Стирки и мытья посуды;
- Полива комнатных растений.
Для этих целей, как правило, используется вода питьевого качества. Однако в некоторых случаях, например для полива, годится и техническая вода.
Качество воды
Качество воды определяется содержанием в ней различных примесей - растворенных солей, органических соединений, взвесей. В зависимости от назначения предъявляются разные требования:
- Питьевая вода. Питьевая вода должна отвечать жестким нормативам по содержанию вредных веществ, патогенных бактерий и вирусов. Кроме того, она не должна иметь неприятных запаха и привкуса.
- Техническая вода. Техническая вода, используемая, к примеру, для охлаждения оборудования может содержать различные соли, но не должна вызывать коррозию металлов или отложение солей.
Очистка воды
Существует несколько основных методов очистки воды:
- Фильтрование через песчаные фильтры или мембраны;
- Хлорирование для обеззараживания;
- Умягчение путем удаления солей жесткости;
- Адсорбция примесей активированным углем.
Экономия воды
Несмотря на кажущуюся обильность запасов пресной воды, ее надо беречь. Рекомендации по экономии:
- Установка счетчиков;
- Использование специальных насадок и режимов при пользовании кранами, душем;
- Сбор дождевой воды для полива;
- Повторное использование технической воды.
Международное сотрудничество
Многие значительные источники пресной воды пересекают границы нескольких государств. Для их сохранения необходимы:
- Заключение международных соглашений по использованию таких водных объектов;
- Совместный мониторинг качества воды;
- Выработка правил эксплуатации гидротехнических сооружений;
- Соблюдение экологических нормативов в бассейнах трансграничных водотоков.
Пути решения проблемы нехватки пресной воды
Несмотря на предпринимаемые меры по рациональному использованию водных ресурсов и охране окружающей среды, в ряде регионов планеты остро стоит проблема нехватки пресной воды:
- Опреснение морской воды. Одним из перспективных направлений является опреснение соленых и морских вод с помощью специальных установок на основе обратного осмоса или дистилляции. Этот метод активно применяется в засушливых прибрежных районах (например, на Ближнем Востоке), однако требует значительных затрат энергии.
- Повторное использование сточных вод. Другое возможное решение - повторное применение очищенных сточных вод для технических нужд. Это позволит сократить забор воды из природных источников. Однако необходимо совершенствование методов очистки для получения качественной воды, пригодной для повторного использования.
- Искусственное пополнение запасов подземных вод. В ряде стран применяется закачка поверхностных вод в подземные пласты для пополнения запасов пресных подземных вод. При должной очистке такой метод также весьма эффективен.
- Атмосферная вода. Находящаяся в воздухе вода является практически неисчерпаемым резервом, однако ее практическое использование пока ограничено. Развитие технологий сбора атмосферной влаги может кардинально изменить ситуацию с водоснабжением в будущем.
- Транспортировка воды. На большие расстояния уже сегодня осуществляется транспортировка пресной воды из районов с избыточным увлажнением в засушливые области с дефицитом (например, на танкерах). Однако высокая стоимость ограничивает масштабы такого решения проблемы нехватки воды.
