voda

voda, vodikov oksid, H₂O, najvažniji kemijski spoj na Zemlji bez kojega život u postojećem obliku nije moguć. Voda je bitan sastojak živih organizama, zauzima više od dvije trećine Zemljine površine. Pod utjecajem Sunčeva zračenja površinska voda neprekidno se isparuje u atmosferu, gdje se kondenzira i u obliku oborina (kiša, snijeg, tuča, rosa, inje, magla) vraća na Zemlju. (→ hidrološki ciklus)

Pri atmosferskom tlaku i temperaturi između 0 °C (kada se ledi) i 100 °C (kada vrije) čista (destilirana) voda bezbojna je tekućina (kapljevina) bez mirisa i okusa. Gustoća vode najveća je na 3,98 °C, pa je led manje gustoće od tekuće vode i na njoj pliva, a njegov volumen veći je za 9% od volumena jednake mase tekuće vode. Jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva vode posljedica su kemijske i prostorne građe njezinih molekula. Zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodikova i kisikova atoma, zbog dvaju slobodnih, nepodijeljenih elektronskih parova na kisikovu atomu, te činjenice da dvije kovalentne veze između kisikova i vodikovih atoma zatvaraju kut od 104,5°, molekula vode razmjerno je jaki dipol. Zbog toga molekule vode i u tekućem i u čvrstom stanju grade nakupine molekula, međusobno povezane vodikovim vezama (→ vodik). U tekućoj su vodi te nakupine nestabilne i nasumične, a u ledu one tvore pravilnu tetraedarsku strukturu, pri čem tetraedri grade heksagonske kanale. Taljenjem leda njegova se tetraedarska struktura urušava, pa se broj molekula vode po jedinici volumena povećava. Istodobno se s porastom temperature molekule vode međusobno udaljuju i njihov se broj po jedinici volumena smanjuje. Od 0 °C do 3,98 °C prevladava proces urušavanja tetraedarske strukture i gustoća vode raste (anomalija vode), iznad 3,98 °C prevladava proces udaljavanja molekula, tj. gustoća se vode daljnjim porastom temperature smanjuje, kao što je to i u većini ostalih tvari. Prirodne se vode smrzavaju od površine prema unutrašnjosti, a led na površini toplinski je izolator koji usporava daljnje smrzavanje i štiti žive organizme u vodi. Zbog vodikovih veza između molekula, ledište i vrelište vode znatno su viši od ledišta i vrelišta nekih sličnih vodikovih spojeva koji nemaju vodikove veze, kao što su amonijak (NH₃) i sumporovodik (H₂S). Bez vodikovih veza vrelište vode pri atmosferskom tlaku bilo bi –75 °C. Zahvaljujući vodikovim vezama, specifični toplinski kapacitet vode (4185 Jkg^–1K^–1) i specifična toplina isparivanja vode (3,33 · 10⁵ Jkg^–1) i taljenja leda (2,26 · 10⁶ Jkg^–1) veliki su, a to znači da se prijelazom vodene pare u tekuću vodu, odn. tekuće vode u led, oslobađa znatna energija, što npr. omogućuje toplokrvnim organizmima održavanje temperature u potrebnim, uskim granicama (→ termoregulacija; znojenje). Kako je masa površinske vode na Zemlji golema, uz male promjene temperature, jezera i mora mogu iz atmosfere primiti i ponovno u atmosferu otpustiti velike količine topline, što je uzrokom da na površini Zemlje nema naglih i velikih promjena temperature kao na Mjesecu ili Merkuru. Također, vodena para u atmosferi djelomično apsorbira mikrovalno i infracrveno zračenje tla i tako ublažava kolebanje temperature. Polagano zagrijavanje i hlađenje mora razlogom su blaže klime u primorskim krajevima.

Voda se može dobiti izravnom sintezom iz vodika i kisika, a nastaje i kao produkt u mnogim drugim kemijskim reakcijama. Može se rastaviti na vodik i kisik elektrolizom, uz dodatak jakoga elektrolita radi povećanja vodljivosti otopine (čista voda vrlo je slab elektrolit), ili termičkom razgradnjom na više od 1000 °C (prevođenjem vodene pare preko užarene platinske žice). U čistoj vodi postoji ravnoteža autoionizacije vode, tj. autoprotoliza, u kojoj jedna molekula vode djeluje kao kiselina, a druga kao baza: H₂O + H₂O ⇆ H₃O⁺ + OH^–, pa je voda amfoterna. Stoga ona kemijski reagira s oksidima metala i daje baze, a s oksidima nemetala kiseline. Važna je reakcija vode i hidroliza. Voda se ugrađuje u kristalnu rešetku mnogih soli, dajući hidratizirane soli. Čista voda slabo je ionizirana, pa je množinska koncentracija nastalih iona vrlo mala ([H₃O⁺] = [OH^–] = 10^–7 mol/dm³, pri 25 °C). Čista voda je neutralna, tj. pH = 7 (→ pH). Zbog polarnoga karaktera svoje molekule voda je odlično otapalo za mnoge ionske i polarne spojeve, tako da prirodna voda (voda u prirodi) nikada nije kemijski čista, jer otapa mineralne tvari iz tla i najčešće sadrži kalcijeve, magnezijeve i natrijeve katione te hidrogenkarbonatne, kloridne i sulfatne anione. Takva se voda naziva tvrdom vodom, jer se prilikom njezina vrenja stvaraju netopljivi produkti (najčešće kalcijev karbonat, CaCO₃) koji slabo prenose toplinu, pa se materijal zagrijane posude pregrijava i slabe mu mehanička svojstva. To je posebno štetno za kućanske aparate (perilice i bojlere) i visokotlačne parne kotlove u industriji. Zbog toga se prirodna voda (osim kišnice) za tehničku primjenu mora omekšati. Karbonatna (prolazna) tvrdoća vode, uzrokovana kalcijevim i magnezijevim hidrogenkarbonatima, može se ukloniti iskuhavanjem vode ili dodatkom sode ili sode i vapna, što uzrokuje taloženje netopljivih karbonata. Kako se nekarbonatna (stalna) tvrdoća vode, uzrokovana svim ostalim u vodi otopljenim solima, ne može tako ukloniti, za uklanjanje ukupne tvrdoće vode (karbonatne i nekarbonatne) provodi se deionizacija vode s pomoću izmjenjivača iona. U Međunarodnom sustavu jedinica (SI) ukupna tvrdoća vode izražava se kao množinska koncentracija zemnoalkalijskih iona u vodi (mjerna jedinica mol/L). Iako ne postoji jednoznačna tablica tvrdoće vode, ugl. se smatra kako je voda koja sadrži manje od 1,6 mmol/L kalcijevih iona meka, od 1,6 do 3,2 mmol/L umjereno tvrda, od 3,2 do 4,6 mmol/L tvrda, a uz koncentraciju kalcijevih iona veću od 4,6 mmol/L vrlo tvrda. Prije se tvrdoća vode navodila u različitim jedinicama, npr. u njemačkim stupnjevima tvrdoće (°dH), pa je tako 1 °dH odgovarao količini iona Ca²⁺, Mg²⁺ ili Fe²⁺ koja je ekvivalentna masenoj koncentraciji kalcijeva oksida (CaO) od 10 mg/dm³.

Mineralnom vodom naziva se prirodna voda koja u jednoj litri sadrži više od 1 g svih otopljenih soli. Destilirana voda dobiva se jednokratnom ili višekratnom destilacijom, tj. isparivanjem vode i ukapljivanjem vodene pare, čime se uklanjaju otopljene ili suspendirane čvrste tvari i otopljeni plinovi. Teška voda u kemijskom je smislu deuterijev oksid, D₂O, a u praktičnom smislu naziv za vodu koja je tehničkim postupkom obogaćena deuterijem.

Pitka voda, podzemna, bunarska i površinska, bistra je voda, bez mirisa i boje, a radi dobra okusa treba sadržavati otopljeni kisik, ugljikov dioksid i topljive soli (NaCl, NaHCO₃). Sadrži li patogene bakterije, organske tvari, nitrate, nitrite i amonijak, željezne soli (koje omogućuju razvoj algi), manganove soli (daju vodi loš okus) ili druge štetnih tvari, mora se prije uporabe pročistiti oksidacijom kisikom iz zraka i dezinficirati klorom ili ozonom. Voda kao dobro otapalo opskrbljuje biljke mineralnim tvarima i nužna je za fotosintezu, a u ljudskom organizmu kao glav sastojak tjelesnih tekućina opskrbljuje sve organe hranjivim sastojcima i uklanja otpadne tvari iz organizma. Oborinska voda sadrži prašinu i nešto otopljenih plinova iz atmosfere, a nema otopljenih soli, pa je bljutava okusa, no ipak se ponegdje rabi za piće. Kao pitka voda sve se više rabi i voda dobivena desalinizacijom slane jezerske ili morske vode. Otpadna voda je voda uporabljena u kućanstvu, obrtu ili industriji i obično je toliko onečišćena da se ne smije ispuštati u vodene tokove bez pročišćivanja (→ otpadne vode). Zagađivanje vode industrijskim otpatcima stvara u novije doba veliku opasnost za održavanje biološke ravnoteže u rijekama, jezerima i morima.

Rasprostranjenost vode (volumni udjel)

Voda je osnovni sastojak svih živih organizama. U nekih organizama čini i 99% njihove mase, u čovjeka oko 70%. Svi biološki procesi odvijaju se isključivo u vodenoj sredini, iako postoje organizmi koji mogu dugotrajno preživjeti stanje potpune dehidratacije. Metabolizam, rast i razmnožavanje takvih organizama počinju tek nakon rehidratacije. Biološke makromolekule (bjelančevine, nukleinske kiseline, polisaharidi) sadrže čvrsto vezanu vodu, koja je nužna za njihovu biološki aktivnu konformaciju. Voda nije samo otapalo u kojem funkcioniraju enzimi nego i izravni metabolit; supstrat je u svim hidrolitičkim, a nusprodukt u mnogim biosintetskim reakcijama. Živi organizam neprekidno uzima i otpušta vodu, što se naziva ciklusom vode. Vodeni organizmi izmjenjuju vodu difuzijom. Kod kopnenih biljaka ta se izmjena odvija pretežno fizikalnim mehanizmima (kapilarne sile u korijenu, transpiracija). Kopnene životinje i čovjek moraju piti vodu ili ju pribaviti hranom koja sadrži vodu. Vodu gube mokraćom, izmetinama, disanjem i znojenjem. Izlučivanje vode metabolički je nužno, jer ono omogućuje organizmu da se oslobodi nekorisnih i štetnih tvari topljivih u vodi. Znojenje je u mnogih organizama dio procesa termoregulacije.