3. Якість води та її оцінка

3.1. Фізико-хімічні властивості води

Вода – окис водню Н₂О – стійке в звичайних умовах з'єднання водню і кисню (11,19 % водню і 88,81 % кисню по масі), відповідно молярна маса води = 18. Чиста вода – прозора рідина без запаху і смаку.

У природі існують два стабільні ізотопи водню ¹Н і ²D, а також три стабільні ізотопи кисню: ¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О. Їм відповідають дев'ять відомих ізотопних різновидностей води, з яких найбільш поширені в природі Н₂¹⁶О (99,73 %); Н₂¹⁷О (0,04 %); Н₂¹⁸О (0,2 %); НD¹⁶О (0,03 %). Особливий інтерес являє важка вода D₂О як сировина для виробництва термоядерних бомб і пальне для керованої термоядерної реакції. У гідросфері розсіяна надважка вода Т₂О, яка містить радіоактивний ізотоп водню – тритій. Вміст надважкої води у водах гідросфери оцінюється в 13 20 кг.

Найважливіші фізичні константи води наведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1

Найважливіші фізичні константи води

Показник	Константа
Густина: лід (0° С) вода (0° С)	917 кг/м^3 999 кг/м^3
Температура плавлення	0° С
Температура кипіння	100° С
Питома теплота плавлення	3,18 · 10^5Дж/кг
Питома теплота пароутворення (100° С)	2,26 · 10^6 Дж/кг
Питома теплоємність (20° С)	4182 Дж/(кг·К)
Показник заломлення (20° С)	1,333
Діелектрична проникність (20° С)	81
Швидкість звуку (20° С)	1483м/с

Багато фізичних властивостей води є аномальними по відношенню до споріднених сполук. Вода відрізняється аномально високими температурами плавлення і кипіння. Густина води при охолодженні зростає подібно до інших рідин, але тільки до температури +4,0° С. При температурі +3,98° С спостерігається максимум густини води (1000 кг/м³) і в процесі подальшого охолодження до точки замерзання густина води зменшується. В точці замерзання густина льоду стрибкоподібно падає, тоді як у інших речовин при кристалізації густина зростає.

Ця аномальна поведінка густини води біля точки кристалізації (рис. 3.1) має неоціненне значення для існування живого у воді; в досить глибоких водоймах вода ніколи не охолоджується нижче +4,0° С. Лід, що плаває на поверхні води, діє як додатковий тепловий екран, який захищає воду від охолодження і не пропускає теплове випромінювання назовні.

Рис.3.1. Густина води біля точки плавлення

Аномально високі значення для води, порівняно із подібними сполуками, мають питома теплота плавлення і випаровування та питома теплоємність, що робить воду і гідросферу в цілому планетним акумулятором тепла порівняно із материками.

Аномалії фізичних властивостей води зумовлені особливостями структури молекули води (рис. 3.2) та міжмолекулярних взаємодій у рідині і твердому стані.

Три атоми молекули води утворюють рівнобедрений трикутник з протонами в основі і атомом кисню у вершині. Електронні орбіти в молекулі води орієнтовані так, що утворюються 4 електричні полюси (рис. 3.2). З них 2 позитивні полюси пов'язані з атомами водню, електрони яких зміщені до кисню, та 2 негативні – з атомом кисню. Всі чотири полюси знаходяться у вершинах тетраедра, завдяки чому молекула води характеризується значним дипольним моментом (1,86 Дебай); чотири просторово розділені полюси утворюють з сусідніми молекулами води чотири водневі зв'язки.

Рис. 3.2. Структура молекули води

Водневі зв'язки на порядок сильніші, ніж сили міжмолекулярної взаємодії більшості речовин, тому для плавлення, випаровування і нагрівання води необхідні відповідно більші енергетичні затрати. Це пояснює аномально великі значення питомої теплоти. Завдяки високій діелектричній проникності вода є найбільш універсальним розчинником, у першу чергу солей, лугів, кислот.

З органічних речовин у воді розчиняються ті сполуки, що мають полярні групи (– ОН, – NH₂ та ін.). Особливе значення для біосфери має здатність води розчиняти гази, в першу чергу кисень і вуглекислий газ.

Лужні і лужноземельні метали при звичайній температурі реагують з водою, розкладаючись на водень і відповідний гідроксид. При високих температурах вода реагує майже з усіма металами. Цим зумовлене явище корозії. Вода є найкращим розчинником для більшості сполук. Процес розчинення речовин, як правило, супроводжується явищами гідролізу і гідратації. При розчиненні у воді кислотних і лужних оксидів утворюються відповідні кислоти і луги. Наявність хоча б слідів води необхідна для переважної більшості хімічних реакцій. Навіть сліди води різко змінюють багато фізичних властивостей речовин: температуру кипіння, плавлення, поверхневий натяг і т. д.