Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ ок. 16.
Вода химически довольно активное вещество. Сильнополярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.
Вода реагирует при комнатной температуре:
- с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)
- с галогенами (фтором, хлором) и межгалоидными соединениями
- с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз
- с ангидридами и галогенангидридами карбоновых и неорганических кислот
- с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метил натрий и т. д.)
- с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)
- со многими солями, образуя гидраты
- с боранами, силанами
- с кетенами, недоокисью углерода
- с фторидами благородных газов
Вода реагирует при нагревании:
- с железом, магнием
- с углем, метаном
- с некоторыми алкилгалогенидами
Вода реагирует в присутствии катализатора:
- с амидами, эфирами карбоновых кислот
- с ацетиленом и другими алкинами
- с алкенами
- с нитрилами
Химические свойства воды определяются особенностями ее строения. Вода довольно устойчивое вещество, она начинает разлагаться на водород и кислород при нагревании по крайней мере до 1000°С ( происходит термическая диссоциация) или под действием ультрафиолетового излучения (фотохимическая диссоциация).
Вода относится к химически активным соединениям. Например, реагирует с фтором. Хлор при нагревании или на свету разлагает воду с выделением атомарного кислорода:
H2O + Cl2 = HCl + HClO (НСlО = НСl + О)
При обычных условиях она взаимодействует с активными металлами:
2H2O + Ca = Ca(ОН) 2 + H2
2H2O + 2Na = 2NaOH + H2
Вода вступает в реакцию и со многими неметаллами. Например, при взаимодействии с атомарным кислородом образуется пероксид водорода:
H2O + O = H2O2
Многие оксиды реагируют с водой, образуя основания и кислоты:
CO2 + H2O = H2CO3
CaO + H2O = Ca(OH)2
При взаимодействии с некоторыми солями образуются кристаллогидраты. При нагревании они теряют кристаллизационную воду:
Na2CO3 + 10H2O = Na2CO3*10H2O
Вода также разлагает большинство солей (так называемый гидролиз).
Благородные металлы с водой не реагируют.
Кроме главных ионов, содержание которых в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").
Азот в форме нитратов NO3- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины (NH2)2CO и солей аммония NH4+ - при разложении органических остатков.
Фосфор существует в воде в форме гидрофосфатов HPO32- и дигидрофосфатов H2PO3-, образующихся в результате разложения органических остатков.
Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Концентрация кремния в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных водах она повышается и часто достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет повышение pH раствора. Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С, 170 мг/л при 38 °С), указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:
Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3
Способствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. В очень мало минерализованных водах кремний составляет существенную, а иногда и преобладающую часть химического состава воды, несмотря на его малое абсолютное содержание. Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.
Алюминий поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин):
Al2[Si2O5](OH)4 + 6H+ = 2SiO2 + 5H2O + 2Al3+
Основной источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки (ниже обозначаются как "С"), находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей гуминовых кислот:
2Fe2O3 + "C" + 4H2O + 7CO2 = 4Fe(HCO3)2
Когда вода с растворёнными в ней ионами Fe2+ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)3. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит) FeO(OH). Карельская болотная руда использовалась в XVIII-XIX столетиях для получения железа.
Синеватая плёнка на поверхности воды - это Fe(OH)3, образующийся, когда подземные воды, содержавшие ионы Fe2+, вступают в контакт с воздухом. Ее часто путают с масляной пленкой, однако различить их очень легко: у пленки гидроксида железа рваные края. Если поверхность воды слегка взволновать, гидроксидная пленка, в отличие от масляной, не будет переливаться.
Химический состав природной воды определяет предшествующая ему история, т.е. путь, совершенный водой в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в такой воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр. Рассмотрим лишь некоторые факторы, влияющие на состав воды.
Почвенный раствор и фильтрующиеся через почву атмосферные осадки способны усиливать растворение пород и минералов. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющее на формирование состава природных вод, является результатом увеличения концентрации диоксида углерода в почвенном растворе, выделяющегося при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков. Вследствие этого концентрация CO2 в почвенном воздухе возрастает от 0,033 %, свойственных атмосферному воздуху, до 1 % и более в почвенном воздухе (в тяжелых глинистых почвах концентрация CO2 в почвенном воздухе достигает иногда 5-10 %, придавая тем самым раствору сильное агрессивное действие по отношению к породам). Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующейся через почву воды, является органическое вещество - почвенный гумус, образующийся в почвах при трансформации растительных остатков. В составе гумуса в качестве активных реагентов прежде всего следует назвать гуминовые и фульвокислоты и более простые соединения, например органические кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная, яблочная и др.), амины и т.п. Почвенный раствор, обогащаясь органическими кислотами и CO2, во много раз ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов, содержащихся в почвах. Аналогично вода, фильтрующаяся через почву, ускоряет химическое выветривание алюмосиликатов и карбонатных пород, подстилающих почву. Известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca(HCO3)2
Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты MgCO3•CaCO3 залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.
Соли попадают в водоёмы и в результате деятельности человека. Так, хлоридами натрия и кальция зимой посыпают дороги, чтобы растапливать лёд. Весной вместе с талой водой хлориды стекают в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше.
Рельеф местности косвенно влияет на состав воды, способствуя вымыванию солей из толщи пород. Глубина эрозионного вреза реки облегчает поступление в реку более минерализованных грунтовых вод нижних горизонтов. Этому же способствуют и другие виды депрессий (речные долины, балки, овраги), улучшающие дренирование водосбора.
Климат же, создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химическою состава природных вод. Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, от которого зависит увлажненность местности и объем водного стока, а следовательно, и разбавление или концентрирование природных растворов и возможность растворения веществ или выпадения их в осадок.
Огромное влияние на химический состав воды и его изменение с течением времени оказывают источники питания водного объекта и их соотношение. В период таяния снега вода в реках, озерах и водохранилищах имеет более низкую минерализацию, чем в период, когда большая часть питания осуществляется за счет грунтовых и подземных вод. Это обстоятельство используют при регулировании наполнения водохранилищ и сброса из них воды. Как правило, водохранилища наполняют в период весеннего половодья, когда приточная вода имеет меньшую минерализацию.