Статьи

На Земле вода имеет огромное значение. Она является наиболее распространённым веществом, которое покрывает около 75% земной поверхности. Вода присутствует на земле в следующих состояниях:

• солёная (моря, океаны) и пресная вода (реки, озёра);
• вода, которая пропитывает земные глубины;
• в виде льдов и снегов;
• в парообразном состоянии в атмосфере земли.

Животный и растительный мир существуют на земле вследствие наличия в них воды. Ведь в ней проходит очень много химических процессов и реакций, благодаря которым все живые организмы могут функционировать.
Вода также является терморегулятором. Благодаря ультравысокой теплоёмкости (4,18 Дж/(г К)), она при смене времён года, а также дня и ночи, медленно нагревается и охлаждается.
Наиболее ценное свойство воды для жизни – это увеличение её плотности при переходе из твёрдого в жидкое. При нагревании воды от 0 до 4°С плотность её продолжает увеличиваться, при 4°С достигает предельного значения, а при большей температуре начинает уменьшаться. Если бы при замерзании воды, её плотность увеличивалась, как у практически всех других веществ, то при приближении зимы и снижении температуры верхние слои рек и озёр, став льдом, смещались вниз. Этот процесс продолжался бы до тех пор, пока весь водоём не стал глыбой льда. Значительное количество живых организмов погибло бы. А так как лёд обладает меньшей плотностью, чем вода, он держится сверху, защищая остальную массу воды от застывания.

Парообразная вода имеет молекулярную массу в 18 ед. У жидкой воды, так как осуществляется ассоциация отдельных молекул воды в более сложные агрегаты (кластеры), она выше. Обосновывают это предположение и аномально высокие значения температур кипения и плавления воды. Ассоциация молекул воды происходит вследствие образования между ними водородных связей.

Все вышеперечисленные свойства воды, можно объяснить строением молекулы воды. Она имеет угловое строение, ядра в ней формируют равнобедренный треугольник, основанием которого являются два протона, вершиной - ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О-Н составляют около 0,1 нм, а ядра атомов водорода отдалены друг от друга на 0,15 нм. Внешний электронный слой атома кислорода составляют восемь электронов, из которых две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а другие четыре электрона являются двумя неподеленными электронными парами. Атом кислорода находится в состоянии sp2-гибридизации, поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, которые образуют связи О-Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. Как результат: на атомах водорода создаются два положительных полюса и они приобретают эффективные положительные заряды. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, которые находятся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и в свой черёд создают два отрицательных полюса.

Что касается структуры, вода – это иерархия правильных объемных структур, основой которых есть кристаллоподобные образования из 57 молекул, действующие друг с другом за счет свободных водородных связей. Следствием этого является возникновение структур второго порядка в виде шестигранников, которые состоят из 912 молекул воды. От того, в каком соотношении выступают на поверхность водород и кислород, зависят свойства кластеров. Изменчивый характер взаимодействия элементов воды объясняет тот факт, что их конфигурация воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси. В обычной воде кластеры составляют 40% (структурированная вода), остальные 60% - это комплекс отдельных молекул воды и случайных ассоциатов (деструктурированная).

Во льду (твёрдой воде) атом кислорода каждой молекулы принимает участие в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. Это образование является причиной такого расположения молекул воды, при котором происходит их соприкосновение разноименными полюсами. Молекулы образовывают слои таким образом, что каждая их них связана с тремя молекулами своего слоя, и с одной - из примыкающего. Таким образом структура льда относится к структурам с наименьшей плотностью. В ней присутствуют пустые пространства, которые по размеру больше, чем молекулы.

При процессе плавлении льда его структура, как и следовало ожидать, рушится, но водородные связи между молекулами сохраняются. Из большего или меньшего количества молекул образуются ассоциаты (обломки структур льда). Со временем эти ассоциаты разрушаются, пустоты заполняются, молекулы воды более плотно утрамбовываются. Поэтому, когда лёд растаёт, плотность возрастает, а обьёма вода занимает меньше.

При нагревании воды ассоциатов становится всё меньше и меньше, плотность повышается. В диапазоне от 0 до 4°С это явление доминирует над тепловым расширением. И, как было сказано выше, плотность воды повышается. При температуре 4°С достигает наибольшего значения, большей, чем 4°С, начинает доминировать усиление теплового движения молекул, и плотность воды становится меньше.
Высокую теплоёмкость воды можно объяснить тем фактом, что при её нагревании часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей, а энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль. Полностью водородные связи между молекулами воды разрываются только при достижении парообразного состояния.
Также вода обладает каталитической способностью. При отсутствии влаги практически не происходит некоторых обычных реакций; например, таких как: фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосферы воздуха, хлор не взаимодействует с металлами.

Что касается химических свойств, то вода - очень реакционноспособное вещество:

• оксиды многих металлов и неметаллов при соединении с водой образуют основания и кислоты;
• некоторые соли с водой образуют кристаллогидраты;
• наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

Вода способна образовывать гидраты газов, соединяясь с рядом веществ, которые при обычных условиях находятся в газообразном состоянии. Например, соединения ксенона, хлора и углеводородов, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Эти соединения, которые возникают в результате заполнения межмолекулярных полостей воды молекулами газа, называются клатратами или соединениями включения. В клатратных соединениях образуются только слабые межмолекулярные связи. Из-за пространственных затруднений включенная молекула не может покинуть своего места в полости кристалла. Поэтому клатраты – это неустойчивые соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низкой температуре.
Применяют клатраты для разделения углеводородов и благородных газов. Образование и разрушение клатратов газов в последнее время успешно используется для обессоливания воды. Происходит это следующим образом. В соленую воду при повышенном давлении нагнетают соответствующий газ, соли остаются в растворе, а полученные льдоподобные кристаллы клатратов отделяют от маточного раствора и промывают. После слегка повышают температуру либо уменьшают давление. При этом клатраты разлагаются, образуют пресную воду и исходный газ, который вторично используют для получения клатрата. Этот метод опреснения морской воды высокоэффективен и перспективен в связи с мягкими условиями реализации и экономичностью.

Становление и развитие водоснабжения

Интересно развивалось водоснабжение селений. Изначально люди заселяли территории в долинах рек, которые разливались летом при подтаивании горных льдов. Вода в этих реках имеет мизерное количество планктона. Со временем поселения расширялись, и появилась потребность в колодцах. Когда стали появляться города, потребовался другой вид водоснабжения. Воду из рек, которые находились ниже уровня улиц, невозможно было направить в город, так как гидравлических насосов тогда ещё не существовало. Находили воду в источниках на прилегающих холмах или предгорьях. Оттуда по трубам, каналам и акведукам она стекала в город. Немало древних акведуков функционируют и сейчас.

Первый водопровод от горного источника был сооружён в Дамаске за тысячу лет до зарождения Римской республики. Водоснабжение было и в Древней Персии, Армении и Греции, а также в Иерусалиме, Александрии, Кноссосе. Но самыми прославленными строителями водопроводов были римляне. Первый акведук в Древнем Риме был построен в 312 г. до н. э. (в период Республики), последний (одиннадцатый) - в 226 г. н. э. Самый известный высотный акведук, который позволил расширить границы Рима в восточном направлении, был сооружён в 144 г. Вода стекала в город с расстояния от 25 до 100 км. Некоторые акведуки, которые строили римляне, находящиеся на территории современной Франции и Испании, сохранились в рабочем исправном состоянии и в наше время.

Для российских равнин римская технология не была пригодной, так как практически все реки берут начало в болотах, где вода богаче планктоном, солями и рыбой. Поэтому источником питьевой воды были колодцы и реки.
В Восточной и Северной Европе, включая Англию и Ирландию, источником питьевой воды также были реки. Воду для первых водопроводов обычно брали из верхнего течения рек. Со временем в результате человеческой деятельности, развития животноводства и перерабатывающей промышленности, загрязнения вода рек и озер утратила свое значение.
В наше время вода стала товаром. Её продают вместе с лимонадом, соком, квасом. К интенсивному развитию коммерческой реализации воды из чистых источников привело сильное химическое загрязнение рек в результате промышленного развития. Естественные водоёмы стали опасны вследствие наличия в них таких инфекций, как холера, брюшной тиф, дизентерия, гепатит и другие. Теперьсоздаются водохранилища, которые наполняют талой и грунтовой водой, водоохранные зоны и установки для стерилизации воды хлором и фильтрации.