Химически чистая вода состоит из молекул H₂O: в каждой два атома водорода связаны с одним атомом кислорода. Но вода из крана, реки, моря или бутылки почти никогда не является только H₂O. В ней растворены соли, газы и небольшие количества других веществ. Именно поэтому две прозрачные воды могут различаться вкусом, жёсткостью, электропроводностью и пригодностью для питья.
Как устроена молекула воды
Молекула воды не вытянута в прямую линию. Атом кислорода находится у вершины, а два атома водорода образуют угол. Кислород сильнее притягивает общие электроны, поэтому возле него возникает небольшой отрицательный заряд, а возле атомов водорода – положительный. Молекула остаётся нейтральной в целом, но имеет два электрических «полюса» и называется полярной.
Эта полярность позволяет соседним молекулам притягиваться водородными связями. Одна такая связь слабее обычной химической связи внутри H₂O, зато их очень много. Они постоянно возникают и разрываются, создавая подвижную сеть. Именно коллективное поведение молекул объясняет многие необычные свойства воды.
Атом – не крошечный шарик в буквальном смысле, а система из ядра и электронов. Почему атомы образуют устойчивые группы, объясняется в статье о возникновении молекул.
Почему формула H₂O не означает смесь газов
Водород и кислород по отдельности при обычных условиях являются газами, но вода – новое химическое соединение с другими свойствами. Атомы объединены связями, и получить исходные простые вещества можно только в результате химической реакции, например электролиза.
Нельзя говорить, что стакан воды «содержит два объёма водорода и один объём кислорода» как отдельные пузырьки. Формула описывает соотношение атомов внутри молекулы. По массе вклад кислорода намного больше, потому что его атом примерно в шестнадцать раз тяжелее атома водорода.
В природной воде встречаются разные изотопы. У большинства атомов водорода нет нейтрона, у дейтерия он есть. Небольшое количество молекул включает тяжёлый водород, но обычная вода от этого не превращается в «тяжёлую воду»: последняя содержит существенно повышенную долю дейтерия и имеет специальное применение.
Почему вода растворяет так много веществ
Полярные молекулы воды окружают ионы соли или полярные части других молекул. Так кристалл может распадаться на частицы и равномерно распределяться в жидкости. Поэтому воду часто называют хорошим или даже «универсальным» растворителем. Последнее выражение условно: масло, многие пластмассы и другие неполярные вещества растворяются в ней плохо.
Растворённое вещество не исчезает. Соль в прозрачной воде сохраняет массу и химические частицы, просто они слишком малы и распределены, чтобы видеть их отдельно. При испарении вода уходит в газовую фазу, а многие соли остаются. Как молекулы покидают поверхность жидкости, объясняет материал «Как улетучивается вода?».
Что находится в питьевой воде
Природная вода проходит через воздух, почву и горные породы, поэтому набирает растворённые вещества. Часто встречаются ионы кальция, магния, натрия, калия, гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты. Кальций и магний в основном определяют жёсткость. Она может оставлять накипь, но сама по себе не означает загрязнение.
В воде растворены кислород, азот и углекислый газ. Кислород нужен водным организмам. Углекислый газ участвует в кислотно-щелочном равновесии и взаимодействии с минералами. Также возможны органические вещества и микроорганизмы.
Слово «минеральная» не гарантирует, что воду можно пить без ограничений. Состав и минерализация различаются, а лечебные воды предназначены для определённого применения. Безопасность оценивают по санитарным нормам и анализу, а не по прозрачности или «природному» происхождению.
Водопроводная, фильтрованная и дистиллированная вода
Водопроводную воду очищают и обеззараживают, а допустимый состав контролируют. Метод зависит от источника: применяют отстаивание, фильтрацию, коагуляцию, озон, ультрафиолет или соединения хлора. Остаточный запах не всегда означает опасность, но внезапное изменение цвета, запаха или официальное предупреждение требуют внимания.
Бытовой фильтр решает конкретную задачу. Уголь уменьшает некоторые запахи и органические вещества, но не обязательно удаляет соли и микроорганизмы. Обратный осмос задерживает гораздо больше растворённых частиц, однако требует обслуживания. Просроченный картридж может работать хуже ожидаемого.
Дистилляция испаряет воду и конденсирует пар, отделяя многие нелетучие примеси. Дистиллированная вода нужна в технике и лабораториях, но вкус у неё непривычный. Утверждение, что она мгновенно «вымывает все минералы» из организма, преувеличено: основную долю минералов человек получает из пищи. Для постоянного питья важнее безопасность источника и сбалансированный рацион.
Почему лёд плавает
При замерзании водородные связи выстраивают молекулы в более открытую кристаллическую структуру. В среднем они располагаются дальше друг от друга, чем в жидкой воде. Поэтому плотность льда ниже, и он плавает.
Большинство веществ в твёрдом состоянии плотнее жидкости, поэтому поведение воды необычно. Плавающий лёд создаёт сверху теплоизолирующий слой и помогает водоёму не промерзать сразу до дна. В жидкой воде максимальная плотность достигается примерно при 4 °C, что влияет на сезонное перемешивание озёр.
Откуда берётся поверхностное натяжение
Молекула внутри жидкости окружена соседями со всех сторон, а на поверхности – преимущественно снизу и сбоку. В результате поверхность стремится сократить площадь и ведёт себя как натянутая плёнка. Капли становятся округлыми, а некоторые лёгкие насекомые удерживаются на воде.
Тот же эффект участвует в капиллярности. В узкой трубке притяжение воды к стенкам и между собственными молекулами помогает жидкости подниматься. Почему питьё через трубочку всё же зависит прежде всего от разности давления, разобрано в отдельной статье.
Главное
Основа воды – молекулы H₂O из двух атомов водорода и одного кислорода. Их угловая форма и полярность создают водородные связи, благодаря которым вода хорошо растворяет многие вещества, обладает поверхностным натяжением и расширяется при замерзании. Природная и питьевая вода дополнительно содержит соли, газы и другие компоненты, поэтому её качество определяется не одной формулой.
