oxid vodíku (H2O), nejjednodušší chemická sloučenina vodíku a kyslíku (11,19 % hmotnostních vodíku a 88,81 % hmotnostních kyslíku), která je za standardních podmínek stabilní. Molekulová hmotnost 18,0160. Kapalina bez barvy, zápachu a chuti (hluboká voda má namodralou barvu).

Voda hrála klíčovou roli v geologické historii Země, při vzniku života a při formování fyzikálního a chemického prostředí, klimatu a počasí naší planety. Živé organismy by bez vody nemohly existovat. Je nezbytnou součástí téměř všech technologických procesů, a to jak v zemědělství, tak v průmyslu.

Voda v přírodě. Voda je v přírodě velmi rozšířená. Hydrosféra, což je vodní obal Země, který zahrnuje oceány, moře, jezera, vodní nádrže, řeky, podzemní vodu a vlhkost v půdě, obsahuje přibližně 1,4-1,5 miliardy m3, z toho přibližně 90 milionů m3 je pevninská voda. Na podzemní vodu připadá 60 mil. m3 , na ledovce 29 mil. m3 , na jezera 0,75 mil. m3 , na půdní vlhkost 75 000 m3 a na řeky 1 200 m3 . V atmosféře se voda vyskytuje ve formě vodní páry, mlhy, mraků, dešťových kapek a sněhových krystalků, celkem přibližně 13 000-15 000 m3. Ledovce trvale zabírají přibližně 10 % povrchu země. Na severu a severovýchodě SSSR a na Aljašce a v severní Kanadě se stále nachází podzemní vrstva ledu na průměrné ploše asi 16 milionů km2 (celkem asi 0,5 milionu m3 ). Podle různých odhadů obsahuje zemská kůra – litosféra – 1 až 1,3 miliardy m3 vody, což se blíží obsahu vody v hydrosféře. V zemské kůře je značné množství vody vázáno jako součást některých minerálů a minerálních hornin (sádrovec, hydratované formy oxidu křemičitého, hydrosilikáty atd.). Velké množství vody (13-15 miliard m3 ) je soustředěno v hlubších oblastech zemského pláště. Voda, která se z pláště uvolnila během procesu zahřívání Země v raných fázích jejího vzniku, byla podle současných názorů zodpovědná za vznik hydrosféry. Roční příjem vody z pláště a magmatických vrstev činí asi 1 m3 . Existují údaje, které naznačují, že voda je alespoň zčásti „kosmického“ původu: protony přicházející do horních vrstev atmosféry ze Slunce a přitahující elektrony se přeměňují na atomy vodíku, které spojením s atomy kyslíku dávají H2O. Voda je součástí všech živých organismů, které dohromady obsahují o polovinu více vody než všechny zemské řeky. Množství vody v živých organismech, s výjimkou semen a výtrusů, se pohybuje mezi 60 a 99,7 % hmotnosti. Slovy francouzského biologa E. Du Bois-Reymonda je živý organismus I’eau animee („oživená voda“). Veškerá voda na Zemi se neustále mísí a cirkuluje v atmosféře, litosféře a biosféře.

V přírodních podmínkách voda vždy obsahuje rozpuštěné soli, plyny a organické látky. Jejich kvantitativní složení se mění podle zdroje vody a podmínek prostředí. Voda s koncentrací solí nižší než 1 g/kg je považována za sladkou, do 25 g/kg za mírně slanou a nad 25 g/kg za slanou.

Voda s nejnižším obsahem minerálních látek pochází z atmosférických srážek (v průměru asi 10-20 mg/kg), další nejnižší (50-1000 mg/kg) se nachází ve sladkovodních jezerech a řekách. Obsah soli v oceánech se pohybuje kolem 35 g/kg; moře mají obsah minerálních látek nižší (Černé moře 17-22 g/kg, Baltské moře 8-16 g/kg a Kaspické moře 11-13 g/kg). Obsah minerálních látek v podzemních vodách v blízkosti povrchu může být za podmínek nadměrné vlhkosti až 1 g/kg; v suchých podmínkách dosahuje 100 g/kg; v hlubokých vodách se mineralizace pohybuje v širokém rozmezí. Maximální koncentrace solí je ve slaných jezerech (až 300 g/kg) a hluboko položených podzemních vodách (asi 600 g/kg).

V sladkých vodách obvykle převažují ionty HCO3-, Ca2+ a Mg2+. Se stoupajícím celkovým obsahem minerálních látek se zvyšuje koncentrace SO42-, Cl-, Na+ a K+. Ve vodě s vysokým obsahem minerálních látek převažují ionty Cl- a Na+, méně často Mg2+ a velmi zřídka Ca2+. Ostatní prvky jsou přítomny ve velmi malém množství, ale v nativní vodě se vyskytují téměř všechny přírodní prvky periodické soustavy.

Mezi rozpuštěné plyny v nativní vodě patří dusík, kyslík, oxid uhličitý, vzácně vzácné plyny a sirovodík a uhlovodíky. Koncentrace organických látek je malá: v řekách je to v průměru asi 20 miligramů na litr (mg/l), v podzemní vodě je to ještě méně a v oceánu asi 4 mg/l. Výjimkou jsou vody v bažinách a ropných ložiscích a vody znečištěné průmyslovými a domovními odpadními vodami, které mají vyšší koncentraci organických látek. Kvalitativní složení organických látek je velmi pestré a zahrnuje různé produkty životní činnosti organismů obývajících vodu a sloučeniny vzniklé při rozkladu jejich zbytků.

Soli v nativní vodě mají původ v látkách, které vznikly při chemickém zvětrávání vyvřelých hornin (Ca2+, Mg2+, Na+, K+ atd.) a v látkách vypouštěných z nitra Země v průběhu její historie (CO2, SO2, HCl, NH3 a další). Složení vody se odvíjí od různorodého složení těchto látek a podmínek, za kterých s vodou reagovaly. Značný význam pro složení vody má také působení živých organismů.

Izotopové složení. Vzhledem k existenci dvou stabilních izotopů vodíku (JH a 2H, obvykle označovaných H a D) a tří izotopů kyslíku 16O, 17O a 18O je známo devět izotopických forem vody. V přírodě se vyskytují v následujících průměrných poměrech (v molekulových procentech): H216O, 99,73; H217O, 0,04; H218O, 0,20; a HD16O, 0,03; a také 10-5 až 10-15 procent (celkem) HD17O, HD18O, D216O, D217O a D218O. Zvláště zajímavá je těžká voda D2O, která obsahuje deuterium. Ve veškeré pozemské vodě je pouze 13-20 kg „supertěžké“ vody, která obsahuje radioaktivní izotop vodíku-tritium (3H nebo T).

Historické informace. Vzhledem ke svému širokému rozšíření a úloze v lidském životě byla voda dlouho považována za zdroj života. Představa antických filozofů, že voda je původcem všeho, se odrazila v Aristotelově teorii (4. století př. n. l.) o čtyřech živlech (oheň, vzduch, země a voda), podle níž byla voda považována za nositele chladu a vlhkosti. Pojetí vody jako jediného chemického prvku se ve vědě udrželo až do konce 18. století. V letech 1781-82 anglický vědec H. Cavendish poprvé syntetizoval vodu výbuchem směsi vodíku a kyslíku pomocí elektrické jiskry a v roce 1783 francouzský vědec A. Lavpisier tyto pokusy zopakoval a poprvé dospěl ke správnému závěru, že voda je sloučenina vodíku a kyslíku. V roce 1785 Lavoisier spolu s francouzským vědcem J. Meusnierem určil kvantitativní složení vody. V roce 1800 angličtí vědci W. Nicholson a A. Carlisle rozdělili vodu na jednotlivé prvky pomocí elektrického proudu. Analýza a syntéza vody tak odhalila její složité složení a umožnila určit její vzorec H2O. Studium fyzikálních vlastností vody začalo již před určením jejího složení v úzkém spojení s dalšími vědeckými a technickými problémy. V roce 1612 italský vědec Galileo upozornil na nižší hustotu ledu ve srovnání s kapalnou vodou jako na příčinu vztlaku ledu. V roce 1665 navrhl nizozemský vědec C. Huygens přijmout teplotu varu a tání vody jako referenční body pro teploměrnou stupnici. V roce 1772 francouzský fyzik Deluc zjistil, že maximální hustota vody nastává při teplotě 4 °C; se zavedením metrické soustavy měr a vah na konci 18. století bylo toto pozorování využito k definici jednotky hmotnosti a váhy, kilogramu. V souvislosti s vynálezem parního stroje studovali francouzští vědci D. Arago a P. Dulong (1830) závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě. V letech 1891 až 1897 se D. I. Mendělejev odvodil vzorce pro závislost hustoty vody na teplotě. V roce 1910 objevili americký vědec P. Bridgman a německý vědec G. Tammann určité polymorfní modifikace ledu při vysokých tlacích. V roce 1932 objevili američtí vědci E. Washburn a H. Urey těžkou vodu. Pokrok fyzikálních metod výzkumu umožnil podstatný pokrok ve studiu struktury molekul vody a struktury ledových krystalů. V posledním desetiletí věnovali vědci zvláštní pozornost struktuře kapalné vody a vodných roztoků.

Fyzikální vlastnosti a struktura. Nejdůležitější fyzikální konstanty vody jsou uvedeny v tabulce 1. (Pokud jde o tlak nasycené vodní páry při různých teplotách, viz článek VODNÍ PÁRA. Viz článek VODNÍK týkající se polymorfních modifikací vody v pevném stavu). Trojný bod vody, při kterém jsou kapalná voda, led a vodní pára v rovnováze, nastává při teplotě 0,01 °C a tlaku 6,03 x 10-3 atmosfér.

Mnoho fyzikálních vlastností vody vykazuje značné nepravidelnosti. Jak je známo, vlastnosti jednoho typu kom-ponenty s prvky ze stejné skupiny v Mendělejevově periodické soustavě se pravidelně mění. V řadě sloučenin vodíku s prvky ze VI. skupiny (H2Te, H2Se, H2S a H2O) jsou teploty tání a varu

nižší pouze u prvních tří; u vody jsou teplota tání a teplota varu anomálně vysoké. Hustota vody se normálně zvyšuje v intervalu od 100° do 4° C, stejně jako u naprosté většiny ostatních kapalin. Po dosažení maximální hodnoty 1,0000 g/cm3 při 3,98 °C však hustota při dalším ochlazování klesá a po zmrznutí prudce klesá, zatímco u většiny ostatních látek je krystalizace doprovázena zvýšením hustoty. Voda je schopna značného přechlazení – to znamená, že může zůstat v kapalném stavu pod bodem tání (i při -30 °C). Měrné teplo, teplo tání a teplo vypařování vody jsou ve srovnání s jinými látkami abnormálně vysoké a měrné teplo je minimální při 40 °C. Viskozita vody se s rostoucím tlakem spíše snižuje než zvyšuje, jak by se dalo očekávat na základě analogie s jinými kapalinami. Stlačitelnost vody je extrémně malá a klesá se zvyšováním teploty.

Anomálie fyzikálních vlastností vody jsou způsobeny strukturou jejích molekul a zvláštnostmi mezimolekulárních interakcí v kapalné vodě a v ledu. Tři jádra molekuly vody tvoří rovnoramenný trojúhelník, jehož základnu tvoří protony a vrchol kyslík (obrázek l,a). Rozložení elektronové hustoty v molekule vody je takové (obrázek 1 , b a c), že vznikají čtyři nábojové póly: dva kladné, spojené s atomy vodíku, a dva záporné, spojené s elektronovými mračny nesdílených párů elektronů na atomu kyslíku. Tyto čtyři nábojové póly jsou umístěny v rozích čtyřstěnu (obrázek l,d). Díky této polaritě má voda velký dipólový moment (1,86 D) a čtyři nábojové póly umožňují každé molekule vody vytvářet čtyři vodíkové vazby se sousedními (stejnými) molekulami – například v krystalech ledu.

Obrázek 1. Vodní póly v krystalech ledu. Struktura molekuly vody: (a) geometrie molekuly H2O (v plynném stavu), (b) elektronové orbity v molekule H2O, (c) elektronová konfigurace molekuly H2O (viditelné jsou nesdílené elektronové páry), (d) čtyři nábojové póly umístěné v rozích tetraedru v molekule H2O.

Krystalová struktura běžného ledu je hexagonální (viz obrázek 2). Je „volná“ a obsahuje mnoho „děr“. (Kdyby byly molekuly vody v krystalech ledu hustě „zabaleny“, byla by jejich hustota asi 1,6 g/cm3.) V kapalné vodě jsou vazby, které jsou vlastní ledu, mezi molekulami H2O a jejich čtyřmi sousedy („uspořádání krátkého dosahu“) do značné míry zachovány; při tání se však „volnost“ struktury snižuje a molekuly „uspořádání dlouhého dosahu“ se dostávají do „děr“, což vede ke zvýšení hustoty. Při dalším zahřívání se tepelný pohyb molekul zvyšuje a vzdálenost mezi nimi se zvětšuje – to znamená, že voda expanduje. Tato expanze převládá již při teplotě 3,98 °C, a proto hustota vody s rostoucí teplotou klesá. Vodíkové vazby jsou přibližně desetkrát silnější než vazby způsobené mezimolekulárními interakcemi charakteristickými pro většinu ostatních kapalin; k tání, vypařování a zahřívání vody je tedy zapotřebí mnohem více energie než v případě jiných kapalin, což vysvětluje abnormálně vysoké hodnoty tepel tání a vypařování a měrného tepla vody. Vodíkové vazby se při zvýšení teploty rozpadají, ale určitý počet jich zůstává zachován i při teplotě 100 °C. Voda rozpuštěná v organických rozpouštědlech se skládá z agregátů (H2O)2 , které vznikají díky vodíkovým vazbám.

Obrázek 2. Voda rozpuštěná v organických rozpouštědlech se skládá z agregátů (H2O)2 , které vznikají díky vodíkovým vazbám. Krystalová struktura ledu

Voda jako rozpouštědlo. Voda je univerzální rozpouštědlo. Plyny se ve vodě rozpouštějí poměrně snadno, pokud jsou schopny s ní vstupovat do chemických interakcí (amoniak, sirovodík, oxid siřičitý a oxid uhličitý). Ostatní plyny nejsou ve vodě snadno rozpustné. S poklesem tlaku a zvýšením teploty se rozpustnost plynů ve vodě snižuje. Při nízkých teplotách a vysokých tlacích se mnohé plyny (argon, krypton, xenon, chlor, sirovodík, uhlovodíky a další) ve vodě nejen rozpouštějí, ale také tvoří krystalické hydráty. Zejména propan při teplotě 10 °C a tlaku 0,3 meganewtonů na metr čtvereční (MN/m2) nebo 3 kilogramy síly na centimetr čtvereční (kgf/cm2) vytváří krystalický hydrát C3H8-17H2O. Tyto hydráty se rozkládají s poklesem tlaku. Krystalické hydráty vznikající při nízkých teplotách z mnoha plynných látek obsahují vodu v „dírách“ svých krystalů (tzv. klatrátové sloučeniny nebo inkluzní komplexy).

Voda je slabý elektrolyt, který disociuje podle rovnice H2O H+ + OH-, v níž produkce iontů slouží jako kvantitativní ukazatel elektrolytické disociace: Kw = , kde a jsou koncentrace příslušných iontů v gramech iontů na litr; Kw je 10-14 při 22 °C a 72 x l0-14 při 100 °C, což odpovídá zvýšení disociace se zvýšením teploty.

Protože je voda elektrolytem, rozpouští mnoho kyselin, zásad a minerálních solí. Takové roztoky vedou elektrický proud díky disociaci rozpuštěných látek za vzniku hydratovaných iontů (hydratace). Mnoho látek vstupuje při rozpuštění ve vodě do výměnné reakce s vodou; tato reakce se nazývá hydrolýza. Ve vodě se disoluují ty organické látky, které obsahují polární skupiny (-OH, -NH2, -COOH a další) a jejichž molekulová hmotnost není příliš vysoká. Samotná voda je snadno rozpustná (nebo se dobře mísí ve všech poměrech) pouze v omezeném počtu organických rozpouštědel. Voda je však téměř vždy přítomna v organických látkách jako nevýznamná příměs a je schopna radikálně měnit fyzikální konstanty látek.

Voda v každé přírodní nádrži obsahuje v roztoku různé látky, především soli. Vzhledem k velké rozpouštěcí schopnosti vody je velmi obtížné získat ji v čistém stavu. Jako měřítko čistoty vody obvykle slouží její elektrická vodivost. Destilovaná voda získaná z obyčejné vody – a dokonce i destilát, který byl podruhé odkalen – má stokrát větší elektrickou vodivost než absolutně čistá voda. Nejčistší voda se vyrábí syntézou ve speciálních přístrojích za použití pečlivě vyčištěného kyslíku a vodíku.

V posledních letech bylo shromážděno mnoho informací o podstatné změně vlastností průmyslové a deziltrované vody, ke které dochází při průchodu magnetickým polem optimální (velmi nízké) intenzity určitou rychlostí. Tyto změny jsou dočasné a po 10-25 hodinách postupně a samovolně mizí. Bylo zjištěno, že po takovéto „magnetické úpravě“ se urychlí absorpce a procesy krystalizace látek rozpuštěných ve vodě a že se změní i zvlhčovací schopnost vody a další vlastnosti. Ačkoli teoretické vysvětlení těchto jevů dosud chybí, principy se již široce uplatňují k zabránění tvorby vodního kamene v parních kotlích a ke zlepšení procesů flotace, odstraňování suspendovaných látek z vody atd.

Tvorba a disociace. Vznik vody při interakci mezi vodíkem a kyslíkem je doprovázen uvolněním 286 kilojoulů na mol (kJ/mole) nebo 58,3 kilokalorií na mol (kcal/mole) tepla při 25 °C (pro kapalnou vodu). Reakce 2H2 O2 = 2H2O probíhá pod teplotou 300 °C velmi pomalu; nad 550 °C je výbušná. Přítomnost katalyzátoru (např. platiny) umožňuje, aby reakce probíhala za běžných teplot. Jak pomalé spalování vodíku v kyslíku, tak jejich explozivní reakce jsou řetězové reakce, které probíhají za účasti volných radikálů.

Chemické vlastnosti. Za běžných podmínek je voda poměrně stabilní sloučenina. Rozpad molekul H2O (tepelná disociace) se stává patrným až při teplotě nad 1500 °C. K rozpadu vody dochází jak působením ultrafialového, tak radioaktivního záření (fotodisociace, resp. radiolýza). V druhém případě vzniká kromě H2 a O2 také peroxid vodíku a mnoho volných radikálů. Charakteristickou chemickou vlastností vody je její schopnost vstupovat do adičních reakcí a hydrolytické disociace reagujících látek. Redukční činidla působí na vodu především při vysokých teplotách. Pouze nejaktivnější z nich, jako jsou alkalické kovy a kovy alkalických zemin, reagují s vodou i při pokojové teplotě za uvolňování vodíku a vzniku hydroxidů: 2Na 2H2O = 2NaOH H2; Ca 2H2O = Ca(OH)2 H2. Hořčík a zinek reagují s vroucí vodou; hliník reaguje s vodou, když se z jeho povrchu odstraní oxidová vrstva. Méně aktivní kovy reagují s vodou za červeného tepla: 3Fe 4H2O = Fe3O4 4H2. Pomalá reakce mnoha kovů a jejich slitin s vodou probíhá za běžných teplot. Pomocí vody obsahující izotop kyslíku 18O bylo prokázáno, že při korozi železa ve vlhké atmosféře získává „rez“ kyslík právě z vody, a nikoli ze vzduchu. Ušlechtilé kovy (zlato, stříbro, platina, palladium, ruthenium a rhodium), stejně jako rtuť, s vodou nereagují.

Atomatický kyslík přeměňuje vodu na peroxid vodíku: H2O + O = H2O2. Fluor také štěpí vodu při běžných teplotách: Současně vzniká H2O2, ozón, oxid fluorový (F2O) a molekulární kyslík (O2). Při pokojové teplotě dává chlor s vodou kyselinu chlorovodíkovou a kyselinu chlornou: Cl2 + H2O = HCl+ HClO. Podobně za těchto podmínek reagují s vodou i brom a jód. Při vysokých teplotách (100 °C pro chlor, 550 °C pro brom) probíhá reakce za uvolňování kyslíku: 2Cl2 2H2O = 4HC1 O2. Fosfor redukuje vodu a vytváří kyselinu metafosforečnou (pouze v přítomnosti katalyzátoru za tlaku a vysoké teploty): 2P 6H2O = 2HPO3 5H2. Voda nereaguje s dusíkem a vodíkem, ale s uhlíkem za vysokých teplot vzniká vodní pára: C + H2O = CO + H2. Reakci lze využít jak při průmyslové výrobě vodíku, tak při přeměně metanu: CH4 H2O = CO + 3H2 (1200°-1400° C). Voda reaguje s mnoha zásaditými a kyselými oxidy za vzniku příslušných zásad a kyselin. Přidávání vody k nenasyceným uhlovodíkům je základem průmyslového způsobu výroby alkoholů, aldehydů a ketonů. Voda se účastní mnoha chemických procesů jako katalyzátor. Například reakce alkalických kovů nebo vodíku s halogeny a mnohé oxidační reakce neproběhnou bez přítomnosti malého množství vody.

Voda, která je chemicky vázána s látkou, jejíž je součástí, a která je nezjistitelná ve formě H2O, se nazývá voda konstituční; molekuly H2O vznikají až v okamžiku rozkladu látky – například v důsledku silného zahřívání: Ca(OH)2 = CaO + H2O. Voda, která je součástí řady krystalických látek – například hlinitých alů, K2SO4 – Al2(SO4)3 – 24H2O – a je v těchto krystalech zjistitelná pomocí rentgenové krystalografie, se nazývá voda krystalizační nebo voda krystalického hydrátu. Voda, která je absorbována pevnými látkami s vysokou pórovitostí a velkým povrchem (například aktivním uhlím), se nazývá adsorpční voda. Volná voda, která se vyskytuje v malých kanálcích (například v půdě), se nazývá hygroskopická (kapilární) voda. Rozlišuje se také strukturně volná voda, která vyplňuje otvory v určitých strukturách, například v minerálech. Kvalitativně je možné zjistit vodu ve formě kondenzátu vznikajícího při zahřívání zkoumaného vzorku; zahříváním za současného vážení vzorku se získají kvantitativní výsledky (termogravimetrická analýza). Vodu v organických rozpouštědlech lze detekovat barvením bezbarvým síranem měďnatým, který po přidání do vody tvoří modrý krystalický hydrát CuSO4-5H2O. Často je možné vodu kvantitativně separovat a analyzovat azeotropickou destilací vody s benzenem, toluenem nebo jinou kapalinou ve formě azeotropické směsi; po oddělení směsi po ochlazení se změří objem separované vody.

Použití v průmyslu. Nelze si představit jinou látku, která by měla tak rozmanité a široké použití jako voda. Je to chemické činidlo, které se podílí na výrobě kyslíku, vodíku, zásad, kyseliny dusičné, alkoholů, aldehydů, hydratovaného vápna a mnoha dalších velmi důležitých produktů. Je nezbytnou součástí při tuhnutí a tvrdnutí pojiv, jako je cement, sádra a vápno. Voda se používá v mnoha průmyslových procesech jako technologická složka: při vaření, rozpouštění, ředění, lixivaci a krystalizaci. Ve strojírenství slouží voda jako nosič energie a tepla (ohřev párou a chlazení vodou) a jako pracovní médium v parních strojích a používá se při přenosu tlaku (zejména v hydraulických převodech a v lisech a při těžbě ropy) nebo výkonu (hydraulické pohony strojů). Voda rozstřikovaná tryskou pod velkým tlakem odplavuje půdu nebo horniny.

Požadavky kladené na vodu v průmyslu jsou velmi rozmanité. Pro rozvoj novějších průmyslových odvětví (výroba polovodičů a luminoforů, atomové inženýrství atd.) je zapotřebí voda zvláštní čistoty. Proto je v současné době věnována zvláštní pozornost problémům úpravy a čištění vody. Podle některých odhadů činí celkový objem ročně zpracovaného materiálu (rudy, uhlí, ropy, minerálů atd.) v celém světě asi 4 miliardy m3; za stejné období činila spotřeba sladké vody – tj. vody z vodních zdrojů – jen v SSSR v roce 1965 37 miliard m3. Rychlý nárůst spotřeby vody představuje pro lidstvo nový a důležitý problém – boj proti vyčerpání a znečištění vodních zdrojů planety.

.