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 -3 н· сек/м 2; 1 дин/см =10 –3 н/м.
Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий 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 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/см 3.) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H 2O 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 (H 2O) 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/м 2(3 кгс/см 2) 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 , диссоциирующий по уравнению:
причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.: К в= [Н +] [ОН -], где [Н +] и [ОН -] - концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; Квсоставляет 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 , 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 .
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 2и 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 , альдегидов , кетонов (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 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 ), 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 , 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 (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 и водоочистки . По некоторым оценкам, общий объём ежегодно перерабатываемых материалов (руды, уголь, нефть, минералы и т.д.) составляет во всём мире около 4 млрд. м 3(4 км 3); в то же время потребление свежей В. (т. е. В. из источников водоснабжения) только промышленностью СССР составило в 1965 37 млрд. м 3. 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. человек) . . . . . . . . . . . . . . . . | 63-68 |
| 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. 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 лв 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 лна 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 районов жилой застройки | Водопотребле- ние на 1 жит, л/сут(сре- днесуточное, за год) |
| Здания с водопользованием из водоразборных колонок (без канализации) | 30-50 |
| Здания с внутренним водо- проводом и канализацией без ванн) | 125-150 |
| Здания с водопроводом, ка- нализацией, ваннами и во- донагревателями, работаю- щими на твёрдом топливе | 150-180 |
| То же с газовыми нагрева- телями | 180-230 |
| Здания с водопроводом, ка- нализацией и системой централизованного горя- чего водоснабжения | 275-400 |
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 , очисткой и обеззараживанием водопроводной В.
Показателями безопасности В. в эпидемиологическом отношении являются: 1) общее количество бактерий (выращиваемых на питательной среде - агаре при t37°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 t35-37°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 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- диентов и веществ | Содержание в 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- ентов и веществ | Содержание в воде, |