ВОДА, окись водорода, Н₂О, простейшее устойчивое в обычных условиях хим. соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе), мол. масса 18,0160; бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый цвет). В. принадлежит важнейшая роль в геологич. истории Земли и возникновении жизни, в формировании физ. и хим. среды, климата и погоды на нашей планете. Без В. невозможно существование живых организмов. В.- обязательный компонент практически всех технологич. процессов - как сельскохозяйственного, так и пром. производства.

В. в п р и р о д е. В. широко распространена в природе. Гидросфера - водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные В., почвенную влагу, составляет ок. 1,4-1,5млрд.км³,причём на долю В.суши приходится всего ок. 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 ок. 13-15 тыс. км³). Ок. 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и С. Канады - общей площадью ок. 16 млн. км²всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего ок. 0,5 млн. км³). В земной коре - литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км³В., 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. 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 магматич. очагов составляет ок. 1 км³. Имеются данные о том, что В., хотя бы частично, имеет "космическое" происхождение: протоны, пришедшие в верх, атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, к-рые, соединяясь с атомами кислорода, дают Н₂О. 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'еаu animee (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 органич. вещества. Их количеств, 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 ок. 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Солёность океана колеблется ок. 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. Макс, концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных В. (до 600 г/кг).

В пресных В. обычно преобладают ионы НСО₃^-, Са²⁺ и Mg²⁺. По мере увеличения общей минерализации растёт концентрация ионов SO4^2-, Cl^-, Na+ и К+. В высокоминерализованных В. преобладают ионы Q^- и Na⁺, реже Mg²⁺ и очень редко Са²⁺. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естеств. элементы периодич. системы найдены в природных В.

Из растворённых газов в природных В. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органич. веществ невелика - в среднем в реках ок. 20 мг/л, в подземных В. ещё меньше, в океане ок. 4 мг/л. Исключение составляют В. болотные и нефтяных месторождений и В., загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качеств, состав органич. 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 хим. выветривании изверженных пород (Ca²⁺,Mg²⁺, Na+, К⁺ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (СО₂, SO₂, НС1, NH₃ и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в к-рых 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 (¹Н и ²Н, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода (¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О) известно 9 изотопных разновидностей В., к-рые находятся в природной В. в среднем в след, соотношениях (в молярных % ): 99,73 Н₂¹⁶О; 0,04 Н₂¹⁷О; 0,20 Н₂¹⁸О, 0,03 HD'¹⁶O, а также 10^-5-10^-15% (суммарно) НD¹⁷О, НD¹⁸O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂^I8O. Особый интерес представляет тяжёлая вода D₂O, содержащая дейтерий. В В. Земли находится всего 13-20 кг "сверхтяжёлой" В., содержащей радиоактивный изотоп водорода - тритий (³Н, 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 (4 в. до и. 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 химич. элементе. В 1781—82 англ. учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал В., взрывая электрич. искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 франц. учёный А. Лавуазье, повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что В. есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с франц. учёным Ж. Менье определил количеств, состав В. В 1800 англ, учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили В. на элементы электрич. током. Т. о., анализ и синтез В. показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу Н₂О. Изучение физ. свойств В. началось ещё до установления её состава в тесной связи с др. научно-технич. проблемами. В 1612 итал. учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой В. как на причину плавучести льда. В 1665 голл. учёный X. Гюйгенс предложил принять темп-ру кипения и темп-ру плавления В. за опорные точки шкалы термометра. В 1772 франц. физик Делюк нашёл, что максимум плотности В. лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрич. системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы — килограмма. В связи с изобретением паровой машины франц. учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара В. от темп-ры. В 1891—97 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности В. от темп-ры. В 1910 амер. учёный П. Бриджмен и нем. учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении неск. полиморфных модификаций. В 1932 амер. учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую В. Развитие физ. 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.

Многие физ. свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных хим. соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодич. системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (Н₂Те, H₂Se, H₂S, Н₂О) темп-ры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти темп-ры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства др. жидкостей. Однако, достигнув макс, 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 значит, переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже темп-ры плавления (даже при -30°С). Уд. теплоёмкость, уд. теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с др. веществами, причём уд. теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с др. жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом темп-ры уменьшается.

Физические свойства воды:

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^г; 1 дин/см = 10^-3н/м.
 

Аномалии физ. 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. Распределение электронной плотности в молекуле В. таково, 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. Благодаря этой полярности В. имеет высокий ди-польный момент (1,86 D), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные сеязи с соседними (такими же) молекулами (напр., в кристаллах льда).

Кристаллич. структура обычного льда гексагональная, она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы ок. 1,6 г/см³.) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы Н₂О с четырьмя соседними («ближний порядок») в значит, 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., к-рое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом темп-ры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства др. 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 уд. теплоёмкости.

С повышением темп-ры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органич. растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (Н₂О)₂.

Вода как растворитель. В.- наиболее универсальный растворите ль. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в хим. взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении темп-ры растворимость газов в В. уменьшается. Мн. газы при низких темп-pax 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 С₃Н₈*17Н₂О. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты мн. газообразных веществ, образующиеся при низких темп-pax, содержат В. в "пустотах" своих кристаллов (т. н. клатраты).

В.- слабый электролит, диссоциирующий по ур-нию: Н₂О <=> Н⁺ + ОН^-, причём количественной характеристикой электролитической диссоциации В. служит ионное произведение В.:К„= [Н+] [ОН^-],где [Н+] и [ОН^-] -концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; К_в составляет 10^-14 (22°С) и 72*10^-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры.

Будучи электролитом, В. растворяет мн. кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электрич. ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов. Мн. вещества при растворении в В. вступают с ней в реакцию обменного разложения, наз. гидролизом. Из органич. веществ в В. растворяются те, к-рые содержат полярные группы (-ОН, -NH₂, -СООН и др.) и имеют не слишком большую мол. массу. Сама В. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органич. растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органич. веществам В. присутствует практически всегда и способна резко изменять физ. константы последних.

В. любого природного водоёма содержит в растворённом состоянии различные вещества, преим. соли (см., напр., 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 технич. 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 теоретич. объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практич. 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/молъ (58,3 ккал/моль) при 25°С (для жидкой В.). Реакция 2Н₂ + О₂ = = 2Н₂О до темп-ры 300°С идёт крайне медленно, при 550°С - со взрывом. Присутствие катализатора (напр., платины) позволяет реакции идти при обычной темп-ре. 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 Н₂О (термич. диссоциация) становится заметным лишь выше 1500°С. Разложение В. происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциация) или радиоактивного излучения (радиолиз). В последнем случае, кроме Н₂ и О₂, образуется также перекись водорода и ряд свободных радикалов. Характерным химич. свойством В. является способность её вступать в реакции присоединения, а также гидролитич. разложения взаимодействующих веществ. Восстановители действуют на В. преим. 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 + 2Н₂О = 2NaOH + Н₂; Са + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + Н₂. 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 + 4Н₂О = Fe₃О₄ + 4Н₂. Медленное взаимодействие многих металлов и их сплавов с В. происходит при обычной темп-ре. Используя В., содержащую изотоп кислорода ¹⁸О, удалось показать, что при коррозии железа во влажной атмосфере "ржавчина" получает кислород именно из В., а не из воздуха. Благородные металлы - золото, серебро, платина, палладий, рутений, родий, а также ртуть с В. не взаимодействуют.

Атомарный кислород превращает В. в перекись водорода: Н₂О + O=H₂O₂ Фтор уже при обычной темп-ре разлагает В.: F₂ + Н₂О = 2HF + О. Одновременно образуются также Н₂О₂, озон, окись фтоpa F₂O и молекулярный кислород О₂. Хлор при комнатной темп-ре даёт с В. хлористоводородную и хлорноватистую кислоты: Сl₂ + Н₂О = НСl + НСlО. Бром и иод в этих условиях реагируют с В. аналогичным образом. При высоких темп-pax (100°С для хлора, 550°С для брома) взаимодействие идёт с выделением кислорода: 2Сl₂ + 2Н₂О = 4НСl + О₂. Фосфор восстанавливает В. и образует метафосфорную кислоту (только в присутствии катализатора под давлением при высокой темп-ре): 2Р + 6Н₂О = 2НРО₃ + 5Н₂. С азотом и водородом В. не взаимодействует, а с углеродом при высокой темп-ре даёт водяной газ: С + Н₂О = СО + Н₂. Эта реакция может служить для пром. получения водорода, как и конверсия метана: СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂ (1200-1400°С). В. взаимодействует со мн. основными и кислотными окислами, образуя соответственно основания и кислоты. Присоединение В. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе пром. способа получения спиртов, альдегидов, кетонов (см. также Гидратация). В. участвует во многих химич. процессах как катализатор. Так, взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, мн. окислительные реакции не идут в отсутствие хотя бы ничтожных количеств В.

В., химически связанную с веществом, в к-рое она входит (неразличимую в виде "готовых" молекул Н₂О), наз. конституционной; молекулы Н₂О образуются лишь в момент разложения вещества, например при сильном нагревании: Са (ОН)₂ = СаО + Н₂О. В., входящая в состав ряда кристаллических веществ (например, алюминиевых квасцов K₂SO4*Al₂ (SO₄)₃*24H₂O) и различимая в этих кристаллах рентгенографически, наз. кристаллизационной или кристаллогидратной. В., поглощённую твёрдыми веществами, имеющими большое число пор и развитую поверхность (напр., активным углём), наз. адсорбционной. Свободную В., заполняющую тонкие канальцы (например, в почве), наз. гигроскопической (капиллярной) В. Различают также структурн о-с вободную В., располагающуюся в пустотах нек-рых структур, напр, в минералах. Качественно можно обнаружить В. в виде конденсата, образующегося при нагревании исследуемого образца; проводя нагревание при непрерывном взвешивании, получают количеств, результаты (термогравиметрический анализ). В органич. растворителях В. можно обнаружить по окрашиванию бесцветной сернокислой меди CuSO₄, образующей с В. синий кристаллогидрат CuSO₄*5H₂O. Отделить и количественно определить В. часто удаётся азеотропной отгонкой её с бензолом, толуолом или др. жидкостью в виде азеотропной смеси, после расслоения к-рой при охлаждении измеряют объём отделившейся В.

Применение В. в промышленности. Невозможно указать другое вещество, к-рое бы находило столь разнообразное и широкое применение, как В. В.- хим. реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей, азотной кислоты, спиртов, альдегидов, гашёной извести и мн. др. важнейших хим. продуктов. В.- необходимый компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов - цемента, гипса, извести и т. п. Как технологич. компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации В. применяется в многочисленных производств, процессах. В технике В. служит энергоносителем, теплоносителем (паровое отопление, водяное охлаждение), рабочим телом в паровых машинах, используется для передачи давления (в частности, в гидравлич. передачах и прессах, а так же при нефтедобыче) или для передачи мощности. В., подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или породу.

Требования, предъявляемые к В. в пром-сти, весьма разнообразны. В. особой чистоты необходима для развития новейших отраслей пром-сти (произ-во полупроводников, люминофоров, атомная техника и др.). Поэтому особое внимание уделяется в наст, время вопросам водоподготовки и водоочистки. По нек-рым оценкам, общий объём ежегодно перерабатываемых материалов (руды, уголь, нефть, минералы и т. д.) составляет во всём мире ок. 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.

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; Ф ю р о н 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 к-рой протекает обмен веществ у всех растений, животных и микроорганизмов, а также субстрат ряда химич. ферментативных реакций. В процессе фотосинтеза В. вместе с углекислым газом вовлекается в образование органич. веществ и, т. о., служит материалом для создания живой материи на Земле.

По материалам БСЭ.