1. До складу молекули води входить один атом оксигену і два атоми гідрогену. Вода H2O на 99,73 % складається з 1H216O,але в природі зустрічається ще дейтерій (стабільний) 2D і тритій (3T), а якщо взяти до уваги, що окрім 16O є ще 17O і 18O, то в природі зустрічається дев’ять різновидів води. Молекула води н.каподібн, полярна,трохядерна, має кутову будову:
Схема структури молекули води
Оксиген в молекулі знаходиться в стані sp3 гібридизації.
В силу своєї будови вода утворює диполі, а електронна густина зміщена до оксисену від гідрогену. Полярна будова обумовлює високу діелектричну проникність, а це в свою чергу її високу здатність розчиняти. Кожна молекула води має здатність утворювати 4 водневих зв’язки, які найміцніші у рідкому стані, а в газоподібну стані реалізуються слабо.
Водневі зв’язки у молекулі води міцніші ніж у решти речовин.
Молекулярна структура води вивчена недостатньо.
В природі вода може знаходитись в трьох агрегатних станах: рідкому, твердому та газоподібному (Потрійна точка: 610 Па (4,58 мм.рт.ст), 273 К).
Важливо, що випаровування з поверхні льоду, снігу, вологої поверхні іде тим інтенсивніше чим більший дефіцит вологи в повітрі.
Загальні запаси води на Землі дуже великі (0,025 % від маси Землі). Але не у зв’язку з величезною кількістю, а виключно завдяки ряду аномальних характеристик сполука гідрогену з оксигеном Н2О виділена в самостійну земну оболонку. Серед аномальних (фізичних властивостей, які не характерні для інших речовин в природі) властивостей води, що грають важливу роль в підтримці життя на Землі, потрібно відзначити наступні.
1. Аномалії густини:
а) Густина стрибкоподібно змінюється при фазових переходах. При цьому густина води є більшою від густини льоду. Це пов’язано з тим, що хоча лід і є впорядкованою гексагональною структурою, він є доволі рихлим, і водневі зв’язки міцніші у рідкому стані. Це забезпечує не замерзання водойм до дна.
Б) Як і для усіх рідин густина зменшується з температурою, і лише від 0 до +40С (та від 999,87 до 10000C) густина зростає. Тому як правило температура води біля дна водойм +40С, і є вищою як біля поверхні, що важливо для виживання гідробіонтів.
(Максимум густини води спостерігається при температурі близько 4 оС. Так, при 0 оС дистильована вода, має густину 0,999841 кг/м3, при 25 оС – 0,9977047 кг/м3, а при 4 оС щільність дистильованої води складає 0,999973 кг/м3. Завдяки цьому з настанням морозів поверхневий шар води охолоджений до 4 оС, як важчий опускається на дно водоймища, витісняючи більш теплі і легкі шари на поверхню. Надалі, коли все водоймище охолодиться до 4 оС, охолоджуватиметься тільки поверхневий шар, який як легший залишатиметься на поверхні водоймища. Лід легший за воду, і він плаватиме на поверхні водоймища.)
2. Аномально високі температури замерзання та кипіння. Враховуючи масове число слід було б очікувати, що tзам=-900С, tкип=-700С. Очевидно, це обумовлюється утворенням водневих зв’язків. Це один з чинників, що забезпечив виникнення та існування життя на Землі.
1. Аномально високі теплоти фазових переходів – випаровування та плавлення. Qпл=333кДж/кг; Qвип=2500кДж/кг. Значення: немає дуже різких перепадів температури.
(Питома ентальпія плавлення. Значення питомої ентальпії плавлення води, рівне 6,012 кДж/моль при 273 К, є найбільш високим серед твердих і рідких тіл, за винятком аміаку і водню. Завдяки високій теплоті плавлення на Землі згладжуються сезонні переходи; весну і осінь в середніх і високих широтах можна розглядати як сезон фазових переходів води. Порівняно легко нагріваючись або охолоджуючись до 0 оС, вода, сніг і лід для переходу в інший агрегатний стан вимагають значних витрат енергії тому ці переходи зазвичай розтягуються в часі. Слід зазначити наприклад, що при замерзанні 1 м3 води виділяється стільки ж тепла, скільки при спалюванні приблизно 10 кг вугілля.
Питома ентальпія випаровування. Високе значення питомої ентальпії випаровування, рівне 40,683 кДж/моль при 373 К, приводить до того, що велика частина сонячній енергії, що досягає Землі, витрачається на випаровування води перешкоджаючи перегріву її поверхні. При конденсації пари води в атмосфері відбувається виділення цій енергії, яка може переходити в кінетичну енергію компонентів атмосфери, викликаючи ураганні вітри.)
2. Аномально високе значення теплоємності води Ср=4,19 кДж/кг К. Зміна Ср від температури також своєрідна – мін. При 330С. При цьому теплоємність льоду в два рази менша ніж води.
Все це забезпечує терморегуляцію планети. Земля охолоджується і нагрівається повільно, що забезпечує підтримання життя.
(Теплоємність води. Питома теплоємність води вища, ніж у всіх твердих і рідких речовин, за винятком рідкого аміаку і водню. При 273 К вона рівна 75,3 Дж/(моль·К). Завдяки величезній теплоємності води океани згладжують коливання температури, і перепад температур від екватора до полюса в Світовому океані складає всього 30 К.)
3. Низьке значення молекулярної теплопровідності води – 0,6 Вт/м К (гарний термоізолятор). Меншу теплопровідність має лише повітря. Це забезпечує повільніше охолодження водойм.
(Лід і сніг, що покриває його, є хорошим захистом водоймища від промерзання, оскільки володіють малою теплопровідністю. Так, наприклад, сніг який щойно випав при температурі 273 К має теплопровідність 90·10-3 Вт/(м·К), а теплопровідність ущільненого снігу близька до теплопровідності будівельної повсті (н.ка), яка дорівнює 44·10-3 Вт/(м·К). Це сприяє збереженню життю у водоймищах середніх і високих широт в зимову пору року.)
6. Низьке значення внутрішнього тертя. Порівняно з іншими рідинами в’язкість невисока. Завдяки цьому вода надзвичайно текуча і навіть невеликі зовнішні сили здатні приводити її в рух, що забезпечує перенесення тепла і речовини. Чим солоніша вода тим вона в’язкіша.
7. Високе значення поверхневого натягу (71,9 10-3Дж/м2). Це забезпечує капілярні явища та інтенсифікацію теплообміну .
(Поверхневий натяг. Аномально високий поверхневий натяг води, рівний 71,9·10-3 Дж/м2 при 298 К, приводить до появи брижів і хвиль на водній поверхні вже при слабкому вітрі. В результаті цього різко зростає площа водної поверхні і інтенсифікуються процеси тепло- та масообміну між атмосферою і гідросферою. З високим поверхневим натягом води пов’язані і капілярні сили, завдяки дії яких, вода здатна підніматися на висоту до 10-12 м від рівня ґрунтових вод.)
8. Діелектрична проникність води має аномально високе значення, рівне 78,3 при 298 К. Це визначає саму велику розчинювальну здатність води по відношенню до речовин з полярною і іонною структурою. Тому в природі немає хімічно чистої води, людина завжди має справу з розчинами. Навіть найчистіші атмосферні осідання над Антарктидою містять до 5 мг/л розчинених солей. А вміст солей в дощовій воді в районах з інтенсивною вулканічною діяльністю досягає 1000 мг/л.