Молекула воды: строение в различных агрегатных состояниях

В природе

См. также: Роль воды в клетке

В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая — криосферой. Вода является важнейшим веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на Земле произошло в водной среде.

Мировой океан содержит более 97,54 % земной воды, ледники — 1,81 %, подземные воды — около 0,63 %, реки и озера — 0,009 %, материковые солёные воды — 0,007 %, атмосфера — 0,001 %.

Вода за пределами Земли

Основная статья: Внеземная вода

Вода — чрезвычайно распространённое вещество в космосе, однако из-за высокого внутрижидкостного давления вода не может существовать в жидком состоянии в условиях вакуума космоса, отчего она представлена только в виде пара или льда.

Одним из наиболее важных вопросов, связанных с освоением космоса человеком и возможности возникновения жизни на других планетах, является вопрос о наличии воды за пределами Земли в достаточно большой концентрации. Известно, что некоторые кометы более, чем на 50 % состоят из водяного льда. Не стоит, впрочем, забывать, что не любая водная среда пригодна для жизни.

В результате бомбардировки лунного кратера, проведённой 9 октября 2009 года НАСА с использованием космического аппарата LCROSS, впервые были получены достоверные свидетельства наличия на спутнике Земли водяного льда в больших объёмах.

Вода широко распространена в Солнечной системе. Наличие воды (в основном в виде льда) подтверждено на многих спутниках Юпитера и Сатурна: Энцеладе, Тефии, Европе, Ганимеде и др. Вода присутствует в составе всех комет и многих астероидов. Учёными предполагается, что многие транснептуновые объекты имеют в своём составе воду.

Вода в виде паров содержится в атмосфере Солнца (следы), атмосферах Меркурия (3,4 %, также большие количества воды обнаружены в экзосфере Меркурия), Венеры (0,002 %), Луны, Марса (0,03 %), Юпитера (0,0004 %), Европы, Сатурна, Урана (следы) и Нептуна (найден в нижних слоях атмосферы).

Содержание водяного пара в атмосфере Земли у поверхности колеблется от 3—4 % в тропиках до 2·10−5% в Антарктиде.

Кроме того, вода обнаружена на экзопланетах, например HD 189733 A b, HD 209458 b и GJ 1214 b.

Жидкая вода, предположительно, имеется под поверхностью некоторых спутников планет — наиболее вероятно, на Европе — спутнике Юпитера.

Сколько влаги необходимо человеку

Сколько воды необходимо пить ежедневно? На этот, казалось бы, простой вопрос нет однозначного ответа. На протяжении многих лет ученые проводили много исследований и каждый раз озвучивали разные цифры. На самом деле, единого ответа и не существует. Все зависит от возраста, пола, среды обитания и рода деятельности человека.

Люди, живущие на побережье, получают дополнительную влагу из воздуха, поэтому могут позволить себе выпивать немного меньше жидкости, чем другие. А вот жители жарких стран, наоборот, должны как можно тщательнее контролировать свой водный баланс, так как более подвержены обезвоживанию.

Употребление жидкости в меньшем количестве, чем этого требует организм, ведет к серьезным нарушениям в работе систем и органов. Но избыток также опасен для здоровья. Так кому и сколько воды положено?

При нормальных обстоятельствах количество влаги в организме контролирует жажда и мочеотделение. И это обычный водный цикл. Не стоит забывать, что жажда может быть признаком некоторых болезней, в частности сахарного диабета. Поэтому, если желание пить не пропадает на протяжении долгого времени, нужно не откладывая обратиться к врачу.

В 2010 году на своем очередном съезде диетологи Европы предложили минимальными нормами потребления воды считать:

• 2 л – для мужчин;
• 1,6 л – для женщин.

Но это только приблизительные цифры, которые не учитывают образ жизни и физическую активность человека.

Помимо этого существует формула, по которой можно рассчитать более точную суточную норму, исходя из массы тела. Для этого достаточно знать, что на 1 кг веса должно приходиться по 30 мл воды ежедневно.

ЖКХ

По состоянию на октябрь 2021 года местный житель в месяц платит: за воду — 62,05 руб., за канализацию — 30,78 руб. за кубометр, свет — 3,54 руб. за 1 квт, вывоз мусора в частном секторе — 83 руб. с человека, газ — 6,34 руб. за 1 кубометр. Отопление квартиры площадью 64 кв. м в сезон стоит в 5-6 тыс. руб., столько же стоит обогреть частный дом (отопление газом) площадью 180 кв. м.

Кстати, цена на недвижимость за год подскочила в среднем на 400-500 тыс. руб. Однокомнатные, двухкомнатные квартиры площадью 30-40 кв. м стоят от 1 600 000, в черте города, без ремонта, в домах старого фонда. Жильё в новостройках с индивидуальным отоплением — от 2 000 000 руб.

Агрегатные состояния

Из всех веществ, существующих на Земле, только вода может иметь три принципиально разных агрегатных состояния: жидкое, газообразное и твердое. Благодаря трём агрегатным состояниям происходит круговорот воды в природе и жизнь на Земле. Рассмотрим подробнее каждое агрегатное состояние.

1. Жидкое (вода). В нормальных условиях вода является жидкостью. Образует мировой океан, реки, ручьи и т.д.
2. Газообразное (водяной пар) — это бесцветный газ, не имеет вкуса и запаха. Испаряется с поверхности океанов, рек, болот, почвы, растений и поступает в воздух или образуется путём кипения жидкой воды или сублимации из льда. Сублимация — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя стадию плавления (перехода в жидкое состояние).
3. Твердое (лёд). При температуре от нуля и ниже вода превращается в лёд. В холодное время года он сковывает реки и лужи, выпадает в виде осадков: снежинок, града, инея, образует ледяные облака. Встречается в виде ледников и айсбергов.

Строение в различных агрегатных состояниях

Жидкая вода, лёд и водяной пар имеют один и тот же состав, но разные состояния.

Рассмотрим строение молекулы на изображении.

Многочисленные исследования ученых подтверждают, что по структуре вода и лед близки друг к другу. Структура льда – это решетчатый каркас. Структура воды зависит от содержания разных веществ, которые в ней растворяются, а также от нерастворимых соединений и некоторых других факторов.

В воде возникают структуры, которые стали называть «кластерами» — группа атомов или молекул, которые представляют собой единую структуру, но внутри имеют свои индивидуальные особенности.

При температуре близкой к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы, практически так, как в кристаллах. При температуре близкой к точке кипения они располагаются более свободно.

Свойства

Вода — уникальный природный компонент, который обладает рядом свойств. Рассмотрим основные:

• не имеет цвета, запаха и вкуса;
• распространенный растворитель;
• обладает высоким поверхностным натяжением, уступая в этом только ртути;
• имеет большую теплоту испарения (используется для терморегуляции);
• чистая вода — хороший изолятор;
• обладает большой теплоёмкостью (увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры);
• плотность в разных диапазонах температур меняется неодинаково.

Существуют необычные свойства. Например, в твердом виде вода легче, чем в жидком. Лёд не тонет в воде. В твёрдом состоянии частички воды располагаются по порядку, между ними остается много свободного пространства. Когда лёд тает, активность частичек повышается, свободное пространство заполняется. Жидкая форма становится более тяжелой, нежели твердая.

Такая уникальная способность даёт возможность любому водоёму не замерзать по всей глубине. Даже при самом сильном морозе температура воды у дна не опускается ниже +4 ᵒС. Все живые существа (рыбы и другие) могут спокойно пережить самую суровую зиму подо льдом.

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла.

Теплоемкость и некоторые другие физические свойства воды тоже зависят от температуры неодинаково. Другие виды жидкостей не имеют таких особенностей – чтобы какой-то один параметр менялся по-разному на разных порогах температуры.

Круговорот воды в природе

Вода образует водную оболочку нашей планеты – гидросферу.

Её делят на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и ледники, а также подземные водоёмы. Переходы H2O из одних частей гидросферы в другие составляют сложный круговорот воды на Земле

Круговорот воды в природе — это непрерывное движение воды в гидросфере Земли. В процессе этого обмена водная масса меняет агрегатное состояние: из жидкой или твердой превращается в газообразную и обратно.

Рассмотрим на примере.

• С поверхности океанов, морей, рек и суши вода в виде пара поднимается вверх.
• Высоко над землей он охлаждается и образует множество водяных капелек и льдинок. Из них образуются облака.
• В виде осадков вода возвращается на Землю.

Источник энергии

Вода — важный источник энергии. Мощность движущейся воды очень велика, поэтому ее используют для получения электричества. Гидроэлектростанции строятся там, где вода движется с большой скоростью, например на реках. Кроме того, могут возводиться и искусственные сооружения, такие как плотины, которые создают движение воды.

Устройство гидроэлектростанции

Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний по специальным турбинным трубопроводам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины и вращает их. Так энергия превращается в механическую. Соединенный с турбиной генератор вращается, и механическая энергия становится электрической. Трансформаторы преобразуют электричество в напряжение нужной величины. Электричество через передающие линии пересылается на распределительные станции.

Поделиться ссылкой

Биологическая роль

Основная статья: Роль воды в клетке

 
Полный стакан с водой

Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений.

Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время.

Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоёмах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему промерзанию водоёма, это позволяет его обитателям выжить. Существует и другая точка зрения: если бы вода не расширялась при замерзании, то не разрушались бы клеточные структуры, соответственно замораживание не наносило бы ущерба живым организмам. Некоторые существа (тритоны) переносят замораживание/оттаивание — считается что этому способствует особый состав клеточной плазмы, не расширяющейся при замораживании.

1) Вспомни, почему идёт дождь

Дождь образуется, когда водяной пар охлаждается и скапливается в облаках. Появившиеся капельки постепенно увеличиваются и выпадают на землю.

2) Откуда берутся снег и лёд?

3) Отчего загрязняется вода?

Она загрязняется от стоков промышленных предприятий, от бытовых стоков канализации, от мусора, который человек выбрасывает или оставляет на берегах водоёмов.

4) Подумай и расскажи про воду, какую роль она играет в твоей жизни

Вода играет очень большую роль в моей жизни. Я пью её каждый день, мою руки и лицо, фрукты и овощи, купаюсь в ванной, стою под душем. Я использую её для уборки в квартире и мытья посуды. Летом я купаюсь в реке или на море.

5) С помощью фотографий и рисунка расскажи, где в природе встречается вода, какое значение она имеет для растений, животных и человека

Вода спасет от лишних килограммов

Любительницы диет для похудения, скорее всего, знают: бороться с чрезмерным аппетитом помогает вода. Разыгрался голод? Обмануть организм легко. Для этого достаточно выпить стакан теплой воды – желудок растянется, в мозг пойдут сигналы о насыщении.

Кроме того, согласно исследованиям, 500 мл жидкости способны временно (на протяжении 90 минут) ускорять метаболизм на 25-30 %. А выпитые 2 л воды в день, по подсчетам ученых, увеличивают расход энергии примерно на 96 калорий. При этом лучше отдавать предпочтение холодной воде – организм потратит дополнительные калории на согревание жидкости.

Иные исследования показали: стакан воды, выпитый примерно за полчаса до еды, также способен уменьшить количество употребляемых калорий. Особенно эффективно этот прием работает в пожилом организме. Сидящим на диете достаточно выпивать перед едой 2 стакана воды, чтобы за 12 недель сбросить на 44 % больше лишнего веса.

Но на этом влияние воды на вес тела не ограничивается. Дефицит Н2О, наоборот, может послужить причиной ожирения. И все дело в том, что испытывающий жажду организм, пребывая в состоянии стресса, посылает мозгу сигналы… о голоде. Человек принимается кушать, а лишние калории откладываются в виде подкожного жира.

В словаре Ефремовой

Ударение: вода́ ж.

1. 1. Бесцветная прозрачная жидкость, представляющая собою химическое соединение водорода и кислорода и содержащаяся в атмосфере, почве, живых организмах и т.п.
   2. Жидкость, используемая для утоления жажды, приготовления пищи и т.п.
   1. Скопление жидкости, образующей ручьи, реки, озера и т.п.
   2. Движущаяся масса такой жидкости.
   1. Поверхность рек, озер, морей и т.п.
   2. разг. Уровень такой поверхности.
2. Насыщенная солями жидкость, извлекаемая из минеральных источников и применяемая в лечебных целях в виде питья или ванн.
3. Напиток минеральный, газированный или фруктовый, применяемый в качестве питья или с гигиенической, лечебной целью.
4. перен. разг. Что-л. многословное, но лишенное содержательности или серьезного значения.
5. перен. разг. То, что недостаточно ценится и поэтому легко тратится, расходуется (обычно о деньгах).
6. перен. разг. Слёзы.

Растворимость веществ в воде

• хорошо растворимые вещества — в 100 г воды растворяется более 1 г вещества при н.у.;
• малорастворимые вещества — в 100 г воды растворяется 0,01-1 г вещества;
• практически нерастворимые вещества — в 100 г водры растворяется менее 0,01 г вещества.

Совершенно нерастворимых веществ в природе не существует.

При растворении многих веществ в воде вокруг их молекул образуется оболочка из молекул воды — такой «слоеный пирог» называется гидратом. После кристаллизации в составе таких комплексов сохраняются некоторая часть молекул воды, образуя кристаллогидрат:

CuSO4+5H2O = CuSO4·5H2O

См. далее:

• Жесткость воды
• Пероксид водорода (H₂O₂)

Физические свойства воды

       Полярная асимметричная структура воды и разнообразие ее ассоциатов обусловливают удивительные аномальные физические свойства воды.  Вода достигает наибольшей плотности при плюсовой температуре, у нее аномально высокие теплота испарения и теплота плавления, удельная теплоемкость, температура кипения и замерзания. Например, можно сравнить воду с аналогичными водородными соединениями подгруппы кислорода периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

      Исходя из температур кипения и замерзания гидридов серы H₂S, селена H₂Se и теллура H₂Te, вода (гидрид кислорода) должна была бы кипеть при температуре минус 80°С и замерзать при минус 100°С. В действительности вода кипит при +100°С и замерзает при 0°С.

      Наибольшая плотность воды при температуре +4°С обеспечивает жизнь в воде зимой. Плотность чистой воды, свободной от воздуха, при атмосферном давлении 0,1 МПа равна 1,00000 г/мл. При любых других температурах плотность меньше.

     Большая удельная теплоемкость – 4,1855 Дж/(г ·°С) при 15°С – способствует регулированию температуры на Земле из-за медленного нагревания и остывания масс воды. У ртути, к примеру, удельная теплоемкость при 20°С – только 0,1394 Дж/(г ·°С). Вообще теплоемкость воды более чем вдвое превышает теплоемкость любого другого химического соединения. Этим можно объяснить выбор воды в качестве рабочего тела в энергетике.

     Аномальное свойство воды – расширение объема на 10% при замерзании обеспечивает плавание льда, то есть опять сохраняет жизнь подольдом.

     Классификация Щукарева очень проста и удобна для сопоставления различных по химическому составу вод, но громоздка (49 классов, 4 группы). Кроме того, деление на классы носит формальный характер, вследствие чего часть классов – не-реальная.

      Еще одно чрезвычайно важное свойство воды – исключительно большое поверхностное натяжение. Молекулы на поверхности воды испытывают действие межмолекулярного притяжения с одной стороны

Так как у воды силы межмолекулярного взаимодействия аномально велики, то каждая «плавающая» на поверхности воды молекула как бы втягивается внутрь слоя воды. У воды поверхностное натяжение равно 72 мН/м при 25°С. В частности, этим свойством объясняется шаровая форма воды в условиях невесомости, поднятие воды в почве и в капиллярных сосудах деревьев, растений и т.д. Для сравнения: у этилового спирта при этой же температуре поверхностное натяжение в 3,5 раза меньше.

Жестокий обман

Но стоит ли вода в бутылках столько, сколько за нее просят? По подсчетам специалистов, водопроводная вода примерно в две тысячи раз дешевле бутилированной такого же объема. Кроме того, в некоторых странах «бутылочная» вода бывает даже дороже молока и бензина, что совсем уж абсурдно. При этом продукт большинства представленных на рынке брендов — обычная вода из-под крана, пропущенная через несколько фильтров.

Несмотря на высокую (в сравнении с водопроводной) цену, бутилированная вода не так уж и безопасна, как принято считать. Фото: news.1777.ru

Известно и о совсем уж вопиющих случаях. Так, в 2019 году американским журналистам удалось разыскать в шести популярных в США брендах бутилированной воды… мышьяк — причём не какую-нибудь там сотую доли, а в количестве, опасном для здоровья человека.

Признаки обезвоживания

Чувство жажды и темный цвет мочи с острым запахом – явные признаки обезвоживания организма.

Среди других симптомов:

• вялость;
• головокружение, обморок;
• повышение температуры тела;
• спазмы в мышцах;
• боли в суставах;
• галлюцинации;
• спутанность сознания;
• повышение холестерина;
• ухудшение слуха и зрения;
• сухость во рту.

Но наиболее серьезное последствие дефицита влаги – сгущение крови. В такой консистенции она не способна эффективно выполнять свои функции: органы не получают кислород в нужном объеме, а продукты обмена не покидают организм, отравляя его.

От недостатка жидкости в теле страдают все слизистые оболочки. Не получая необходимого количества влаги, они пересыхают и начинают трескаться. Сухая кожа, акне, ломкие волосы, налет на языке, запах изо рта, нервозность, рассеянность и мигрени также являются внешними признаками дегидратации.

Риску обезвоживания более подвержены люди из крайних возрастных групп, то есть дети и пожилые. Если младенец начал дышать быстрее, стал сонным и вялым, а количество мокрых пеленок за сутки значительно уменьшилось, это может служить сигналом о дегидратации. Недостаток влаги в пожилом организме обычно вызывает путаницу в сознании.

Важно помнить, что причиной быстрого обезвоживания могут послужить диарея, рвота, обильное потоотделение во время лихорадки. Согласно исследованиям, потеря примерно 1,5 % влаги вызывает ухудшение настроения, снижение концентрации и головные боли

А дегидратация на 2-3 % отрицательно сказывается на функционировании мозга.

Кроме этого, обезвоживание может стать причиной таких болезней, как:

• ожирение;
• артрит;
• гастрит и запоры;
• камни в желчном пузыре.

Вода в жизни животных и растений

Животным и растениям нужна вода. Они пьют её и напитываются влагой. Вода – главная составляющая любого растения или тела животного. Благодаря воде происходит транспортировка питательных веществ по организму и выводятся вредные вещества.

С листьев растений постоянно испаряется вода, поэтому, чтобы поддерживать свой организм здоровым, растениям нужен постоянный источник влаги.

Молодые животные плохо переносят недостаток воды. Для правильного развития и роста организма им нужно больше воды, чем взрослым животным. При недостатке воды уменьшается активность и кровообращение. Животное может начать меньше употреблять пищи, что сказывается на процессе роста.

У каждого животного есть свой период, который он может прожить без воды. Например, курица может просуществовать от 7 до 24 дней. Жвачные животные до 1 месяца. При этом они теряют в весе до 50%.

Но для многих животных и растений вода – дом родной, в котором они живут. Они приспособились жить в воде и не могут жить вне воды. Сложно вообразить, сколько бы животных и растений человек не увидел бы в своей жизни, если бы не существовало водоемов: рек, морей и океанов, где живут тысячи организмов.

Многие тайны и загадки океана до сих пор остаются неразгаданными, но каждый год ученые открывают все новые и новые виды неведомых прежде животных и растений.

Образование воды

Известно, что 2 объема водорода взаимодействуют с 1 объемом кислорода с образованием воды. При реакции выделяется большое количество тепла, как и при горении свечи. Продукт реакции — вода — не похожа на исходные вещества — водород и кислород. Следовательно, превращение, происходящее при взаимодействии водорода и кислорода, должно быть отнесено к химическим реакциям.

В соответствии с атомно-молекулярной теорией мы начинаем рассуждение, предполагая, что в реакции участвуют молекулы H₂ и O₂. В результате реакции образуются молекулы воды. Связи между атомами в реагирующих веществах разрываются и атомы перегруппировываются. При этом возникают новые связи в молекулах продукта реакции. Эти превращения легко представить с помощью молекулярных моделей. Молекулярную модель можно представить как две молекулы H₂ (четыре атома) и одна молекула O₂ (два атома). Если эти молекулы будут реагировать с образованием воды, то связи между атомами в молекулах водорода и кислорода должны разорваться. Затем «завязываются» новые связи и образуются две молекулы воды. Отметим, что в результате реакции происходит перегруппировка атомов, но общее число атомов при этом не изменяется.

Пример образования молекул воды

Один миллион молекул кислорода реагирует с достаточно большим количеством молекул водорода с образованием воды. Сколько молекул воды образуется? Сколько молекул водорода требуется для этой реакции?

Для получения 100 молекул воды расходуется 100 молекул водорода и 50 молекул кислорода. Таким образом, для получения 1 моля воды (6,02 · 1023 молекул) нам потребуется 1 моль водорода (6,02 · 1023 молекул) и 0,5 моля кислорода (3,01 · 1023 молекул). Результаты приведены в таблице:

Реакция между водородом и кислородом протекает намного быстрее, если эти газы смешать и затем поджечь смесь искрой. Происходит сильный взрыв. Тем не менее, на 1 моль реагирующего водорода образуется такое же количество продукта реакции — воды — и выделяется столько же тепла, как и при обычном горении.

Если реагируют 1 моль чистого водорода и 0,5 моля чистого кислорода, образуется 1 моль воды. Количество тепла, выделяющееся при образовании 1 моля воды, равно 68000 кал. Если же мы возьмем только 0,025 моля чистого водорода, то потребуется 0,5 · 0,025 моля кислорода. При этом образуется 0,025 моля воды. Если получено только 0,025 моля воды, то выделяется лишь 0,025 · 68 000 = 1700 кал тепла.

Источником этой тепловой энергии должны быть сами реагирующие вещества (водород и кислород), так как к системе извне подводится только тепло, необходимое для поджигания смеси. Отсюда можно сделать вывод, что вода содержит меньше энергии, чем реагирующие вещества, используемые для ее получения. Реакция, при которой выделяется тепло, называется экзотермической. Количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 моля водорода (68 000 кал, или 68 ккал), называется молярной теплотой сгорания водорода.