окись водорода, H20, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19\% водорода и 88,81\% кислорода по массе), молекулярная масса 18,0160; бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый цвет), В. принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. Без В. невозможно существование живых организмов. В. - обязательный компонент практически всех технологических процессов - как сельскохозяйственного, так и промышленного производства.
В. в природе. В. широко распространена в природе. Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные В., почвенную влагу, составляет около 1,4-1,5 млрд.
км3, причём на долю В. суши приходится всего около 90 млн.
км3. Из них подземные воды составляют 60, ледники 29, озёра 0,75, почвенная влага 0,075, реки 0,0012 млн.
км3. В атмосфере В. находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13-15 тыс.
км3). Около 10\% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и Севере Канады - общей площадью около 16 млн.
км2 всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн.
км3. В земной коре - литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд.
км3 В., что близко к содержанию её в гидросфере. В земной коре значительные количества В. находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Огромные количества В. (13-15 млрд.
км3) сосредоточены в более глубоких недрах мантии Земли (См.
Мантия Земли). Выход В., выделявшейся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её формирования, и дал, по современным воззрениям, начало гидросфере. Ежегодное поступление В. из мантии и магматических очагов составляет около 1
км3. Имеются данные о том, что В., хотя бы частично, имеет "космическое" происхождение: протоны, пришедшие в верхнюю атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, которые, соединяясь с атомами кислорода, дают H
2O. В. входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше В., чем во всех реках Земли. В живых организмах количество В., за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7\% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animée (одушевлённая
вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой (см.
Влагооборот,
Водный баланс)/
В. в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения В. и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг В. считают пресной, до 25 г/кг - солоноватой, свыше - солёной.
Наименее минерализованными В. являются атмосферные осадки (в среднем около 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17-22 г/кг; Балтийское 8-16 г/кг; Каспийское 11-13 г/кг). Минерализация подземных В. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг, в глубинных артезианских В. минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных В. (до 600 г/кг).
В пресных В. обычно преобладают ионы HCO3-, Са2+ и Mg2+. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO42-, Cl-, Na+ и К+. В высо-коминерализованных В. преобладают ионы Cl- и Na+, реже Mg2+ и очень редко Ca2+. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных В.
Из растворённых газов в природных В. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика - в среднем в реках около 20 мг/л, в подземных В. ещё меньше, в океане около 4 мг/л. Исключение составляют В. болотные и нефтяных месторождений и В., загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих В., и соединения, образующиеся при распаде их остатков.
Первоисточниками солей природных В. являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca
2+, Mg
2+, Na
+, К
+ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO
2, SO
2, HCI, NH
3 и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с В., зависит состав В. Громадное значение для состава В. имеет и воздействие живых организмов (см. также
Гидрохимия).
Изотопный состав В. В связи с существованием двух стабильных изотопов у
Водорода (
1H и
2H, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода (
16O,
17O и
18O) известно 9 изотопных разновидностей В., которые находятся в природной В. в среднем в следующих соотношениях (в молярных \%): 99,73 H
216O; 0,04 H
217O; 0,20 H
218O, 0,03 HD
'16O, а также 10
-5-10
-15\%(суммарно) HD
17O, HD
18O, D
216O
, D
217O, D
218O. Особый интерес представляет
Тяжёлая вода D
2O, содержащая
Дейтерий. В В. Земли находится всего13-20
кг "сверхтяжёлой" В.. содержащей радиоактивный изотоп водорода - тритий (
3H, или Т).
Историческая справка. Благодаря широкой распространённости В. и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Представление философов античности о В. как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (См.
Аристотель) (4 в. до н. э.) о четырёх стихиях (огне, воздухе, земле и В.), причём В. считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 в. в науке существовало представление о В. как об индивидуальном химическом элементе. В 1781-82 английский учёный Г.
Кавендиш впервые синтезировал В., взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 французский учёный А.
Лавуазье, повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что В. есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье определил количественный состав В. В 1800 английские учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили В. на элементы электрическим током. Таким образом, анализ и синтез В. показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H
2O. Изучение физических свойств В. началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой В. как на причину плавучести льда. В 1665 голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру плавления В. за опорные точки шкалы термометра. В 1772 французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности В. лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы (См.
Масса) -
Килограмма. В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара В. от температуры. В 1891-97 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности В. от температуры. В 1910 американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 американские учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую В. Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул В., а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёных привлекает структура жидкой В. и водных растворов (См.
Растворы).
Физические свойства и строение В. Важнейшие физические константы В. приведены в табл. 1. О давлении насыщенного пара В. при разных температурах см. в ст.
Пар водяной.
О полиморфных модификациях В. в твёрдом состоянии см. в ст.
Лёд. Тройная точка для В., где находятся в равновесии жидкая В., лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10
-3 атм.
Многие физические свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H2Te, H2Se, H2S, H2O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти температуры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100-4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. В. способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при -30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.
Табл. 1. - Физические свойства воды
--------------------------------------------------------------------------------------------------
| Свойство | Значение |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Плотность, г/см3 | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,9168 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 0,99987 (0°С) |
| | 1,0000 (3,98°С) |
| | 0,99823 (20°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 0,5977 кг/м3 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Темп-ра плавления . . . . . | 0°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Темп-ра кипения . . . . . . . | 100°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. темп-ра . . . . . . . . | 374,15°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. давление . . . . . . . | 218,53 кгс/см2 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. плотность . . . . . . | 0,325 г/см3 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплота плавления . . . . . . | 79,7 кал/г |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплота испарения . . . . . . | 539 кал/г (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. теплопровод- | |
| ность, кал/(см·сек·град) | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 5,6·10-3 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,43·10-3 (0°С) |
| | 1,54·10-3 (45°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 5,51·10-5 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. электропровод- | |
| ность, ом--1·см-1 | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,4·10-8 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,47·10-8 (0°С) |
| | 4,41·10-8 (18°С) |
| | 18,9·10-8 (50°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. теплоёмкость | |
| кал/(г·град) | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,00 (15°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 0,487 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Диэлектрическая про- | |
| ницаемость | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 74,6 (°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 81,0 (20°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный | 1,007 (145°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Вязкость, спз | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,7921 (0°С) |
| | 0,284 (100°С) |
| | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Поверхностное натя- | 74,64 (0°С) |
| жение жидкой во- | 62,61 (80°С) |
| ды на границе с | |
| воздухом, дин/см | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Показатель прелом- | 1,33299 (20°С) |
| ления (D - линия | |
| натрия) . . . . . . . . . . . . . . | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Скорость звука в во- | 1,496 м/сек (25°С) |
| де . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Примечание: 1 кал/(см·сек·град) = 418,68 вт/(м·К); 1 ом--1·см--1 = 100 сим/м;
1 кал/(г·град) =.4,186 кдж (кг·К); 1 спз = 10-3н·сек/м2; 1 дин/см = 10-3н/м.
Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий (См.
Межмолекулярное взаимодействие)
в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (
рис. 1, а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (
рис. 1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (
рис. 1, г). Благодаря этой полярности В. имеет высокий
Дипольный момент (1,86
D), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные связи (См.
Водородная связь) с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).
Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 2), она "рыхлая", в ней много "пустот". (При плотной "упаковке" молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см3.) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H2O с четырьмя соседними ("ближний порядок") в значительной степени сохраняется; однако "рыхлость" структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы "дальнего порядка" попадают в "пустоты", что ведёт к росту плотности В. При дальнейшем нагревании В. возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение В., которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания В. необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H2O)2.
Вода как растворитель. В. - наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в В. уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в В., но и образуют
Кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3
мн/м2 (3
кгс/см2) даёт кристаллогидрат C
3H
8·17H
2O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат В. в "пустотах" своих кристаллов (так называемые клатраты, см.
Соединения включения).
В. - слабый электролит (См.
Электролиты), диссоциирующий по уравнению:
причём количественной характеристикой электролитической диссоциации (См.
Электролитическая диссоциация) В. служит ионное произведение В.:
Кв = [Н
+] [ОН
-], где [Н
+] и [ОН
-] - концентрация соответствующих ионов в
г-ион/л;
Кв составляет 10
-14 (22°С) и 72·10
-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры (см. также
Водородный показатель).
Будучи электролитом, В. растворяет многие кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электрический ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов (см.
Гидратация). Многие вещества при растворении в В. вступают с ней в реакцию обменного разложения, называемую
Гидролизом. Из органических веществ в В. растворяются те, которые содержат полярные группы (-ОН, -NH
2, - СООН и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Сама В. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органических растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам В. присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних.
В. любого природного водоёма содержит в растворённом состоянии различные вещества, преимущественно соли (см., например,
Жёсткость воды). Благодаря высокой растворяющей способности В., получить её в чистом виде весьма трудно. Обычно мерой чистоты В. служит её электропроводность. Дистиллированная В., полученная перегонкой обычной В., и даже повторно перегнанный дистиллят имеют электропроводность примерно в 100 раз более высокую, чем у абсолютно чистой В. Наиболее чистую В. получают синтезом из тщательно очищенного кислорода и водорода в спец. аппаратуре.
В последние годы появились многочисленные сообщения о существенном изменении свойств технической и дистиллированной В. после её протекания с определённой скоростью в магнитных полях оптимальной (весьма невысокой) напряжённости. Эти изменения носят временный характер и через 10-25 часов постепенно и самопроизвольно исчезают. Отмечается, что после такой "магнитной обработки" ускоряются процессы кристаллизации растворённых в В. веществ, адсорбции, изменяется смачивающая способность В. и др. Хотя теоретическое объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практическое применение - для предотвращения образования накипи в паровых котлах, для улучшения процессов флотации (См.
Флотация), очистки В. от взвесей и др.
Образование и диссоциация В. Образование В. при взаимодействии водорода с кислородом сопровождается выделением теплоты 286
кдж/моль (58,3
ккал/моль) при 25°С (для жидкой В.). Реакция 2H
2 + O
2 = 2H
2O до температуры 300°С идёт крайне медленно, при 550°С - со взрывом. Присутствие катализатора (например, платины) позволяет реакции идти при обычной температуре. Спокойное горение водорода в кислороде, как и взрывное взаимодействие, - это
Цепные реакции, идущие с участием радикалов свободных (См.
Радикалы свободные).
Химические свойства В. В обычных условиях В. - достаточно устойчивое соединение. Распад молекул H
2O (термическая диссоциация) становится заметным лишь выше 1500°С. Разложение В. происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциация) или радиоактивного излучения (
Радиолиз).
В последнем случае, кроме H
2 и O
2, образуется также перекись водорода и ряд свободных радикалов. Характерным химическим свойством В. является способность её вступать в реакции присоединения, а также гидролитические разложения взаимодействующих веществ. Восстановители действуют на В. преимущественно при высокой температуре. Только наиболее активные из них, как щелочные и щелочноземельные металлы, реагируют с В. уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием гидроокисей: 2Na + 2H
2O = 2NaOH + Н
2; Ca + 2H
2O = Ca (OH)
2 + H
2. Магний и цинк взаимодействуют с В. при кипячении, алюминий - после удаления с его поверхности окисной плёнки. Менее активные металлы вступают в реакцию с В. при красном калении: 3Fe + 4H
2O = Fe
3O
4 + 4H
2. Медленное взаимодействие многих металлов и их сплавов с В. происходит при обычной температуре. Используя В., содержащую изотоп кислорода
18O, удалось показать, что при коррозии железа во влажной атмосфере "ржавчина" получает кислород именно из В., а не из воздуха (см.
Коррозия металлов). Благородные металлы - золото, серебро, платина, палладий, рутений, родий, а также ртуть с В. не взаимодействуют.
Атомарный кислород превращает В. в перекись водорода: H
2O + O = H
2O
2. Фтор уже при обычной температуре разлагает В.: F
2 + H
2O 2HF + О. Одновременно образуются также H
2O
2, озон, окись фтора F
2O и молекулярный кислород O
2. Хлор при комнатной температуре даёт с В. хлористоводородную и хлорноватистую кислоты: Cl
2 + H
2O = HCl + HClO. Бром и иод в этих условиях реагируют с В. аналогичным образом. При высоких температурах (100°С для хлора, 550°С для брома) взаимодействие идёт с выделением кислорода: 2Cl
2 + 2H
2O = 4HCl + O
2. Фосфор восстанавливает В. и образует метафосфорную кислоту (только в присутствии катализатора под давлением при высокой температуре): 2P + 6H
2O
= 2HPO
3 + 5H
2. С азотом и водородом В. не взаимодействует, а с углеродом при высокой температуре даёт водяной газ: С + H
2O = CO + H
2. Эта реакция может служить для промышленного получения водорода, как и конверсия метана: CH
4 + H
2O = CO + 3H
2 (1200-1400°С). В. взаимодействует со многими основными и кислотными окислами, образуя соответственно
Основания и
Кислоты. Присоединение В. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов (См.
Спирты), альдегидов (См.
Альдегиды), кетонов (См.
Кетоны) (см. также
Гидратация). В. участвует во многих химических процессах как катализатор. Так, взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, многие окислительные реакции не идут в отсутствие хотя бы ничтожных количеств В.
В., химически связанную с веществом, в которое она входит (неразличимую в виде "готовых" молекул H
2O), называют конституционной; молекулы H
2O образуются лишь в момент разложения вещества, например при сильном нагревании: Ca (OH)
2 = CaO + H
2O. В., входящая в состав ряда кристаллических веществ (например, алюминиевых квасцов (См.
Алюминиевые квасцы)
K
2SO
4·Al
2 (SO
4)
3·24H
2O) и различимая в этих кристаллах рентгенографически, называется кристаллизационной или кристаллогидратной. В., поглощённую твёрдыми веществами, имеющими большое число пор и развитую поверхность (например, активным углём (См.
Активный уголь)), называют адсорбционной. Свободную В., заполняющую тонкие канальцы (например, в почве), называют гигроскопической (капиллярной) В. Различают также структурно-свободную В., располагающуюся в пустотах некоторых структур, например в
Минералах. Качественно можно обнаружить В. в виде конденсата, образующегося при нагревании исследуемого образца; проводя нагревание при непрерывном взвешивании, получают количественные результаты (термогравиметрический анализ). В органических растворителях В. можно обнаружить по окрашиванию бесцветной сернокислой меди CuSO
4, образующей с В. синий кристаллогидрат CuSO
4·5H
2O. Отделить и количественно определить В. часто удаётся азеотропной отгонкой её с бензолом, толуолом или другой жидкостью в виде азеотропной смеси (См.
Азеотропная смесь), после расслоения которой при охлаждении измеряют объём отделившейся В.
Применение В. в промышленности. Невозможно указать другое вещество, которое бы находило столь разнообразное и широкое применение, как В. В. - химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей, азотной кислоты, спиртов, альдегидов, гашёной извести и многих других важнейших химических продуктов. В. - необходимый компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов - цемента, гипса, извести и т.п. Как технологический компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации В. применяется в многочисленных производственных процессах. В технике В. служит энергоносителем (см.
Гидроэнергетика),
теплоносителем (См.
Теплоноситель) (паровое отопление, водяное охлаждение), рабочим телом в паровых машинах (см.
Пар водяной), используется для передачи давления (в частности, в гидравлических передачах и прессах, а также при нефтедобыче) или для передачи мощности (см.
Гидропривод машин). В., подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или породу (см.
Гидромеханизация).
Требования, предъявляемые к В. в промышленности, весьма разнообразны. В. особой чистоты необходима для развития новейших отраслей промышленности (производство полупроводников, люминофоров, атомная техника и др.). Поэтому особое внимание уделяется в настоящее время вопросам водоподготовки (См.
Водоподготовка) и водоочистки (См.
Водоочистка). По некоторым оценкам, общий объём ежегодно перерабатываемых материалов (руды, уголь, нефть, минералы и т.д.) составляет во всём мире около 4 млрд.
м3 (4
км3);
в то же время потребление свежей В. (т. е. В. из источников водоснабжения) только промышленностью СССР составило в 1965 37 млрд.
м3. Стремительный рост потребления В. ставит перед человечеством новую важную проблему - борьбы с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты (см.
Водные ресурсы).
Лит.: Вернадский В. И., История природных вод, Избр. соч., т. 4, М., 1960; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Фюрон Р., Проблемы воды на земном шаре, пер. с франц., М., 1966; Круговорот воды, М., 1966; Паундер Э., Физика льда, пер. с англ., М., 1967; Виноградов А. П., Введение в геохимию океана, М., 1967; Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, М., 1957; Изотопный анализ воды, 2 изд., М., 1957; Термодинамика и строение растворов, М., 1959; Краткая химическая энциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 605-14.
В. Л. Василевский.
Вода в организме - основная среда (внутриклеточная и внеклеточная), в которой протекает
Обмен веществ у всех растений, животных и микроорганизмов, а также субстрат ряда химических ферментативных реакций. В процессе
Фотосинтеза В. вместе с углекислым газом вовлекается в образование органических веществ и, таким образом, служит материалом для создания живой материи на Земле.
Табл. 2. - Содержание воды в различных организмах, их органах и тканях
------------------------------------------------------------------------------
| Организмы, органы, ткани | Содержание |
| | воды, \% |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Растения (наземные) | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| верхушка растущего побега | 91-93 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| листья . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75-86 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Семена злаков . . . . . . . . . . . | 12-14 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Водоросли . . . . . . . . . . . . . . . | 90-98 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Мхи, лишайники . . . . . . . . . . | 5-7 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Медузы . . . . . . . . . . . . . . . . . | 95-98 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Дождевые черви . . . . . . . . . . | 84 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Насекомые | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| взрослые . . . . . . . . . . . . . . . | 45-65 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| личинки . . . . . . . . . . . . . . . . | 58-90 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Рыбы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 70 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Млекопитающие (в т. ч. | 63-68 |
| человек) . . . . . . . . . . . . . . . . | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| скелет . . . . . . . . . . . . . . . . . | 20-40 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| мышцы . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| печень . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Мозг человека . . . . . . . . . . . . | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| серое вещество . . . . . . . . . . | 84 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| белое вещество . . . . . . . . . . | 72 |
------------------------------------------------------------------------------
В. обеспечивает
Тургор тканей, перенос питательных веществ и продуктов обмена (кровь, лимфа, сок растений), физическую терморегуляцию (См.
Терморегуляция) (см.
Транспирация,
Потоотделение) и другие процессы жизнедеятельности.
Жизнь, вероятно, возникла в водной среде. В ходе эволюции различные
Водные животные и
Водные растения вышли на сушу и приспособились к наземному образу жизни; тем не менее и для них В. - важнейший компонент внешней среды. Жизнь без В. невозможна. При недостатке В. жизнедеятельность организмов нарушается. Лишь покоящиеся формы жизни - споры, семена - хорошо переносят длительное обезвоживание. Растения при отсутствии В. увядают и могут погибнуть, но чувствительность различных растений к недостатку В. неодинакова (
см. Засухоустойчивость,
Ксерофиты,
Мезофиты). Животные, если лишить их В., быстро погибают: упитанная собака может прожить без пищи до 100 дней, а без В. - менее 10. Содержание В. в организмах велико (см. табл. 2).
В жидкостях организма - межклеточных пространствах, лимфе, крови, пищеварительных соках, соке растений и др. - содержится свободная В. В тканях животных и растений В. находится в связанном состоянии - она не вытекает при рассечении органа. В. способна вызывать набухание коллоидов, связываться с белком и другими органическими соединениями, а также с ионами, входящими в состав клеток и тканей (гидратационная В.). Молекулы В., находящиеся внутри клеток, но не входящие в состав гидратационных оболочек ионов и молекул, представляют иммобильную В., легче гидратационной вовлекаемую в общий круговорот В. в организме (см.
Водно-солевой обмен,
Всасывание,
Выделение).
Лит.: Зюков А. М., Обмен воды в организме. Физиология и патология, Хар., [1929]; Данилов Н. В., Физиологические основы питьевого режима, М., 1956; Кравчинский Б. Д., Физиология водно-солевого обмена жидкостей тела, Л., 1963.
В. В. Парин.
Гигиеническое значение В. Вода входит в состав всех жидкостей и тканей человеческого тела, составляя около 65\% всей его массы. Потеря В. опаснее для организма, чем голодание: без пищи человек может прожить больше месяца, без В. - всего лишь несколько дней. В В. растворяются важные для жизнедеятельности организма органические и неорганические вещества; она способствует электролитической диссоциации содержащихся в ней солей, кислот и щелочей, выполняет роль катализатора разнообразных процессов обмена веществ в организме.
Физиологическая потребность человека в В., которая вводится в организм с питьём и с пищей, в зависимости от климатических условий составляет 3-6 л в сутки. Значительно большее количество В. необходимо для санитарных и хозяйственно-бытовых нужд.
Лишь при достаточном уровне водопотребления, которое обеспечивается централизованными системами водоснабжения, оказывается возможным удаление отбросов и нечистот при помощи сплавной канализации. Уровень водопотребления (в л на 1 жителя в сутки) в известной мере определяет и уровень санитарной. культуры в населённых местах (см. табл. 3).
Табл. 3. - Нормативы хозяйственно-питьевого водопотребления
------------------------------------------------------------------------------------
| Степень благоустройства | Водопотребле- |
| районов жилой застройки | ние на 1 жит, л/сут |
| | (сре- |
| | днесуточное, |
| | за год) |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопользованием | 30-50 |
| из водоразборных колонок | |
| (без канализации) | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с внутренним водо- | 125-150 |
| проводом и канализацией | |
| без ванн) | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопроводом, ка- | 150-180 |
| нализацией, ваннами и во- | |
| донагревателями, работаю- | |
| щими на твёрдом топливе | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| То же с газовыми нагрева- | 180-230 |
| телями | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопроводом, ка- | 275-400 |
| нализацией и системой | |
| централизованного горя- | |
| чего водоснабжения | |
------------------------------------------------------------------------------------
Для предупреждения опасности прямого или косвенного отрицательного влияния В. на здоровье и санитарные условия жизни населения большое значение имеют научно-обоснованные гигиенические нормативы предельно допустимого содержания в В. химических веществ. Эти нормативы являются основой государственных стандартов качества питьевой В. (ГОСТ - 2874) и обязательны при проектировании и эксплуатации хозяйственно-питьевых (коммунальных) водопроводов. В интересах здравоохранения в 60-х гг. 20 в. во всех социалистических странах, в США, Франции были пересмотрены стандарты качества питьевой В. Международные стандарты питьевой В. были опубликованы Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в 1963; в 1968 закончена разработка проекта нового стандарта качества питьевой В. в СССР.
Потребление В. населением должно быть безопасно в эпидемиологическом отношении; В. не должна содержать болезнетворных бактерий и вирусов. Водный путь распространения характерен для возбудителей холеры, брюшного тифа, паратифов и лептоспирозов, в известной мере также для возбудителей дизентерии, туляремии, эпидемического гепатита, бруцеллёза. С В. в организм человека могут попадать цисты дизентерийной амёбы, яйца аскарид и др. Эпидемиологическая безопасность В. обеспечивается очисткой сточных
вод и их обеззараживанием, мерами санитарной охраны водоёмов (См.
Санитарная охрана водоёмов), очисткой и обеззараживанием водопроводной В.
Показателями безопасности В. в эпидемиологическом отношении являются: 1) общее количество бактерий (выращиваемых на питательной среде - агаре при t 37°С) - не более 100 в 1 мл; 2) количество кишечных палочек (выращиваемых на плотной питательной среде с концентрацией на мембранных фильтрах) - не более 3 в 1 л. При использовании жидких сред накопления титр кишечной палочки должен быть не менее 300. По проекту ГОСТа (1968) к бактериям группы кишечной палочки относятся грамотрицательные неспороносные палочки, факультативные анаэробы, способные сбраживать глюкозу с образованием кислоты и газа при t 35-37°С в течение 24 часов.
Природный состав В. издавна привлекал к себе внимание как возможная причина массовых заболеваний неинфекционной природы. Содержание в В. хлоридов, сульфатов и продуктов разложения органических веществ (аммиак, нитриты и нитраты) рассматривалось лишь как косвенный показатель опасного для здоровья населения загрязнения В. бытовыми стоками. Благодаря применению новых методов исследования были обнаружены районы с недостатком или избытком в В. тех или иных микроэлементов. В этих районах наблюдаются своеобразные изменения флоры и фауны. В связи с недостаточным или избыточным поступлением в организм микроэлементов с В. и с пищей, среди населения отмечаются характерные заболевания. Так, развитие эндемического
Флюороза вызывается недостаточным содержанием фтора в питьевой В., причём выявлена прямая связь между концентрацией фтора в В. и частотой и тяжестью поражения зубов. Фтор питьевой В. оказывает также влияние на фосфорно-кальциевый обмен и на процесс кальцификации костей. Для фтора питьевой В. характерен малый диапазон концентраций от токсических до физиологически полезных. В связи с этим установлено, что содержание фтора в питьевой В. не должно превышать 0,7-1,0
мг/л (до 1,2 при фторировании В.) в зависимости от климатических условий. Долгое время существовало представление о содержащихся в В. нитратах как о косвенных показателях бытового загрязнения В. Однако наличие повышенных концентраций нитратов обнаруживается и в природных подземных В. и даже в В. артезианских водоносных горизонтов (Молдавская ССР, Татарская АССР, район Владивостока). Использование в молочных смесях для детского питания В., содержащей повышенные концентрации нитратов, вызывает у детей метгемоглобинемию (См.
Метгемоглобинемия) разной тяжести. Водонитратная метгемоглобинемия встречается и у детей старших возрастов, поэтому она приобретает черты эндемического заболевания. (См. табл. 4).
Табл. 4. - Показатели безвредности химических веществ (природных и добавляемых в процессе обработки) в питьевой воде
----------------------------------------------------------------------
| Наименование ингре- | Содержание в |
| диентов и веществ | воде, мг/л, |
| | не более |
| | |
|---------------------------------------------------------------------|
| Свинец . . . . . . . . . . . . | 0,1 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Мышьяк . . . . . . . . . . . | 0,05 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Фтор . . . . . . . . . . . . . . | 0,7-1,5 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Берилий . . . . . . . . . . . | 0,0002 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Молибден . . . . . . . . . | 0,5 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Нитраты (по N) . . . . . | 10,0 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Полиакриламид (ПАА) | 2,0 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Стронций . . . . . . . . . . | 2,0 |
----------------------------------------------------------------------
Первые водные интоксикации были отмечены во 2-й половине 19 в. в Западной Европе (свинцовые "эпидемии") вследствие применения свинцовых труб в водопроводной технике (применение таких труб в СССР запрещено). Свинец обнаруживается и в В. подземных источников, в концентрациях, которые не безразличны для организма из-за возможности длительного действия.
Среди химических веществ, обнаруживаемых в питьевых В., могут встречаться также вещества, которые в небольших концентрациях изменяют органолептические свойства В. (запах, вкус, прозрачность и пр.). Наиболее часто органолептические свойства В. изменяют содержащиеся химические вещества, в природных В. (соли общей минерализации, железо, марганец, медь, цинк и др.), остаточные количества соединений, используемые как реагенты при обработке В., а также промышленные загрязнения водоёмов.
Показатели, обеспечивающие благоприятные органолептические свойства В., приведены в табл. 5.
Табл. 5.-Показатели благоприятных органолептических свойств воды при содержании в ней природных или добавляемых в процессе очистки веществ
--------------------------------------------------------------------------------
| Наименование ингреди- | Содержание в |
| ентов и веществ | воде, мг/л, |
| | не более |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Мутность по стандарт- | 1,5 |
| ной шкале . . . . . . . . . . . | |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Железо . . . . . . . . . . . . . . | 0,3 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Марганец . . . . . . . . . . . . | 0,5 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Медь . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Цинк . . . . . . . . . . . . . . . . | 5,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Хлориды . . . . . . . . . . . . . | 350 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфаты . . . . . . . . . . . . | 500 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Сухой остаток . . . . . . . . . | 1000 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Триполифосфат . . . . . . . | 5,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Гексаметафосфат . . . . . | 5,0 |
--------------------------------------------------------------------------------
В случае применения В. для обработки серебра остаточная концентрация его не должна быть больше 0,05 мг/л. Для органолептических свойств В. также существуют нормативы: запах и привкус на уровне 2 баллов, цветность по шкале -20°, жёсткость -7,0 мг/экв и pH в пределах 6,5-9,0. При содержании в В. одновременно хлоридов, сульфатов, марганца, меди, цинка сумма их концентраций, выраженная в долях от максимально допустимых концентраций каждого вещества, не должна превышать 1.
Лит.: Руководство по коммунальной гигиене, т. 2, М., 1962; Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922-1932 гг., М. - Л., 1940; Международные стандарты питьевой воды, 2 изд., пер., М., 1964.
С. Н. Черкинский.
Рис. 1. Структура молекулы воды: а - геометрия молекулы H2O (в парообразном состоянии); б - электронные орбиты в молекуле H2O; в - электронная формула молекулы H2O (видны необобществленные электронные пары); г - четыре полюса зарядов в молекуле H2O расположены в вершинах тетраэдра.
Рис. 2. Кристаллическая структура льда.