voda

Voda, chemickým vzorcem H₂O, systematický název oxidan^[2], je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Spolu se vzduchem, resp. zemskou atmosférou, tvoří základní podmínky pro existenci života na Zemi. Za normální teploty a tlaku je to bezbarvá, čirá kapalina bez zápachu, v silnější vrstvě namodralá. V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích: v pevném – led a sníh, v kapalném – voda a v plynném – vodní pára.

Název

Systematicky se voda nazývá „oxidan“ (od názvosloví IUPAC 93^[3]), vycházející z toho, že se jedná o anorganický^[4] jednojaderný hydrid^[5] (proto končí na příponu „-an“^[6]). IUPAC uvádí ve svých názvoslovných doporučeních i anglický systematický název „dihydrogen oxide“^[1], obdobný český název „oxid vodný“ se v odborné literatuře nepoužívá. I v odborném jazyce se však používalo a používá triviální označení „voda“.

Fyzikální vlastnosti

 

Geometrie molekuly vody

 

Vodíkové vazby (1) mezi molekulami vody

Mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti vody jsou důsledkem geometrie její molekuly. Atomy v ní vázané nejsou uspořádány lineárně (v jedné přímce), ale chemické vazby mezi atomy svírají úhel přibližně 105 °. Polaritě vazeb (různé afinitě atomů vodíku a kyslíku) a zmíněné nelinearitě molekuly vděčí molekula vody za svoji polaritu. Vlastnosti molekul způsobují dobrou rozpustnost polárních a iontových látek ve vodě, jsou důvodem vysoké elektrické permitivity vody a díky jejich schopnosti zapojovat se do vodíkových vazeb (zvané též vodíkové můstky) jsou důvodem i významné hustotní anomálie vody.

Izotopické složení

Přirozená voda na Zemi obsahuje nejen izotop lehkého vodíku ¹H a kyslíku ¹⁶O, ale také těžší stabilní izotopy těchto prvků. Standardní oceánská voda, používaná např. pro bývalou definici kelvinu jako hlavní jednotky SI, obsahuje na 1 mol vodíku ¹H 0,15576 mmol deuteria ²H a na 1 mol kyslíku ¹⁶O 0,3799 mmol kyslíku ¹⁷O a 2,0052 mmol kyslíku ¹⁸O.^[7] Přirozená voda mimo oceány může mít zastoupení těžkých izotopů nižší, ale ne tak, aby to způsobilo rozdílnost fyzikálních vlastností.

Uměle lze vytvořit izotopicky jednotné formy vody, z nichž některé mají své zvláštní jméno. Podle počtu neutronů v atomu vodíku rozlišujeme izotopology

• lehkou vodu (oba vodíky jsou protia, chemický vzorec je ¹H₂O),
• polotěžkou vodu (jeden vodík je protium a jeden deuterium, vzorec se dá zapsat jako HDO),
• těžkou vodu (oba vodíky jsou deuteria, vzorec je ²H₂O, ale dá se také zapsat jako D₂O; voda vyrobená z těžkých atomů vodíku, v přírodě se nachází zcela běžně ve směsi s normální vodou v nízké koncentraci, těžká voda sloužila ke konstrukci prvních atomových reaktorů) a
• tritiovou vodu (zvána též supertěžká voda, kdy jeden nebo oba vodíky jsou radioaktivně nestabilním tritiem (³H, též T).

Vodu lze také obohatit o těžší izotopy kyslíku ¹⁷O a ¹⁸O.

Jednotlivé izotopicky jednotné formy se vzájemně znatelně liší svými fyzikálními a dokonce i některými chemickými vlastnostmi (protože odlišná hmotnost jádra má částečný vliv i na vazebnou energii elektronů v atomovém obalu). Těžká voda má např. vyšší hustotu, body tání a varu a pH než voda lehká. Hustota vody s kyslíkem ¹⁸O je podobná hustotě těžké vody, voda s kyslíkem ¹⁷O je hustotou podobná vodě polotěžké.

Následující fyzikální vlastnosti se proto týkají pouze přirozeného izotopické složení (pokud není uvedeno jinak) a nelze je vztahovat na izotopicky čisté formy vody, zejména ne na ty s těžkými izotopy vodíku či kyslíku.

 

Kapka vody

Hustota

Největší hustotu nemá led, ale tekutá voda při 3,95 °C, dalším snižováním teploty se objem jednotkové hmotnosti vody zase zvětšuje. Je to způsobeno polymerizací vodních molekul vodíkovými vazbami a úhlem mezi atomy vodíku – díky tomu může mít molekula v ledu pouze 4 nejbližší sousedy a v krystalové struktuře vznikají prázdné prostory. Tato zvláštnost má např. tyto důsledky:

• Led se tvoří na povrchu vodních ploch a tím nezmrzlou vodu izoluje, voda tolik nepromrzá do hloubky, přičemž voda o teplotě 3,95 °C se hromadí na dně vodních ploch. Tato skutečnost je velmi důležitá pro přežití vodních organismů.
• Tento proces urychluje zvětrávání – voda zvětšující svůj objem „trhá“ horniny a další látky.
• Zvětšování objemu má význam pro rostliny a zemědělství – při mrznutí dochází ke kypření ornice.

Povrchové napětí a viskozita

 

Důsledek povrchového napětí

Tepelná vodivost

Termodynamické vlastnosti

 

Fázový diagram vody znázorňující závislost existence skupenství na tlaku a teplotě

Měrná tepelná kapacita (specifické teplo) je u vody zhruba třikrát až desetkrát (desetkrát u železa) větší než u většiny ostatních látek, jako jsou horniny, železo, hliník, atd. Proto má voda svou tepelnou setrvačností velký klimatický vliv a s výhodou se používá k transportu tepla (např. ústřední topení).

Skupenské přeměny charakterizuje fázový diagram vody, který je ve zjednodušené podobě uveden na obrázku. Ve skutečnosti existuje pevné skupenství vody, tedy led, v mnoha různých fázích, lišících se krystalovou strukturou a fyzikálními vlastnostmi.^[8]

O fázovém přechodu mezi kapalným a pevným skupenstvím podrobněji pojednává odstavec hustota. Pro zmrznutí vody je podmínkou, aby v kapalině existovala krystalizační centra. Proto je možné, aby čistá a ustálená voda byla podchlazena i pod teplotu tuhnutí nebo aby horká voda zmrzla rychleji než ustálená voda studená (Mpembův jev). K náhlému zmrznutí podchlazené vody stačí i mechanický podnět (zatřesení, vhození tělíska).

Specifická skupenská tepla (tání a varu) – V tomto parametru je voda naprosto neobvyklá. Vysoké výparné teplo umožňuje efektivní ochlazování teplokrevných obratlovců, jako je člověk – bez pocení by nepřežili.

Bod varu – Obecný trend v periodické tabulce prvků je takový, že s rostoucí hmotností se zvyšuje teplota varu. Nicméně vodíkové můstky mají větší vliv na teplotu varu než hmotnost dané látky a že voda a všechny sloučeniny s vodíkem v druhé periodě – B₂H₆, CH₄, NH₃ a HF – jsou výjimkou v tomto trendu.

Elektrické vlastnosti

Voda je výjimečná vysokou permitivitou (relativní permitivita je přibližně 80).

Chemicky čistá voda je velmi slabě elektricky vodivá, ale i malé množství rozpustných příměsí výrazně zvyšuje její vodivost, až řádově. Protože se běžně setkáváme spíše s vodou ne úplně destilovanou, lze tvrzení obrátit: s poklesem koncentrace iontů příměsí vodivost vody klesá, s jejich úplným odstraněním dokonce prudce. Čistá voda je ovšem extrémní situace: i proto ji přes její velkou schopnost polarizace do kondenzátorů nepoužíváme.

Nestlačitelnost

Voda je často dávána za příklad nestlačitelné kapaliny. Její skutečná stlačitelnost sice není úplně nulová, nicméně tato hodnota je natolik malá, že se běžně zanedbává.

Chemické vlastnosti

 

Model molekuly vody

Voda vzniká prudkým až explozivním slučováním vodíku s kyslíkem (hořením bezbarvým plamenem) podle rovnice:

2H₂ + O₂ → 2H₂O,

za vývinu velkého množství tepla (exotermní reakce). Kromě toho vzniká jako vedlejší produkt vedle solí při neutralizaci kyselin zásadami, např.

HCl + NaOH → H₂O + NaCl.

Voda je obsažena ve spalných plynech při hoření většiny organických látek, např. methanu

CH₄ + 2O₂ → 2H₂O + CO₂,

nebo oktanu (hlavní složky benzínu)

2C₈H₁₈ + 25O₂ → 18H₂O + 16CO₂.

Vodné roztoky mohou vykazovat kyselou, neutrální nebo zásaditou reakci. Kyselost (acidita) a zásaditost (bazicita) se vyjadřuje ve stupnici hodnot pH. Rozsah stupnice je od 0 do 14 pH, přičemž hodnotě pH 7 odpovídá roztok neutrální. Hodnoty nižší označují roztok kyselý, hodnoty vyšší zásaditý čili alkalický. Vody kyselé jsou obvykle bez života, protože se v nich nevytváří plankton ani baktérie.

Tvrdost vody

Veličina nejčastěji udávající koncentraci kationtů vápníku a hořčíku ve vodě. Definice tvrdosti vody je však nejednotná, někdy se tak označuje koncentrace dvojmocných kationtů vápníku, hořčíku, stroncia a barya nebo všech kationtů s nábojem větším než jedna. Vzhledem k této nejednotnosti se moderní hydrochemie termínu tvrdost vody snaží vyhýbat. V praxi mnoha oborů, například akvaristiky, se však pojem tvrdost vody stále často užívá.

Voda v přírodě

Rozšířením vody na Zemi a jejím pohybem se zabývá hydrologie, pohyb vody v zemské atmosféře zkoumá též meteorologie. Výskyt vody na naší planetě je mnohem vyšší než na ostatních planetách sluneční soustavy. Při pohledu z vesmíru vypadá Země jako modrobílá planeta: bílá od vodní páry a modrá od vody. A zákonitě všechny formy života (tak, jak ho známe) závisejí na vodě. Část zemského povrchu s obsahem vody v kapalném skupenství nazýváme hydrosféra.

Většinu povrchu Země (71 %) pokrývá slaná voda moří a oceánů, jež tvoří 97 % celého vodstva na naší planetě. Obsahuje průměrně 35 g solí v jednom litru. Z toho 77,8 % chloridu sodného (NaCl), 10,9 % chloridu hořečnatého (MgCl₂) a další soli jako síran hořečnatý, síran vápenatý, síran draselný a jiné.

Sladká voda tvoří jen nepatrnou část hydrosféry – 3 %, přičemž 69 % této vody je v ledovcích, které jsou v polárních oblastech. Dalších 30 % je voda podzemní a jen necelé procento tvoří voda povrchová a atmosférická.

 

Schéma stojatých vod: 1. déšť, 2. stojatá voda, 3. nepropustné podloží.

Koloběh vody na kontinentech začíná srážkami. Jakmile dopadnou z mraků na povrch, mohou putovat třemi cestami:

• zpravidla víc než 50 % (někdy i 100 %) se znovu vypaří
• méně než 30%, většinou 10 % – 20 %, steče do potoků, řek a nakonec do moře
• 10 % a méně (ale také nic) se může vsáknout.

Množství kyslíku rozpuštěného ve vodě nepřesahuje maximální koncentraci 14 mg kyslíku na litr vody při teplotě 4 °C, s rostoucí teplotou pak množství kyslíku klesá, a tak voda o teplotě například 20 °C obsahuje pouze 9 mg kyslíku na litr.

Výskyt vody ve vesmíru

Voda je druhá nejčastější látka ve vesmíru.^[10]

Ve vesmíru se velké množství vody nachází v molekulárních mračnech v mezihvězdném prostoru. Také protoplanetární mlhovina, ze které vzniklo Slunce a celá sluneční soustava, obsahovala velké množství vody, z níž část se zachovala v Oortově oblaku, kde se z ní zřejmě ještě dnes tvoří nové komety. Jádra komet obsahují desítky procent vody. Podle jedné z teorií právě komety zanesly na Zemi většinu vody, která zde v současnosti je.

Také některé měsíce planet, tělesa Kuiperova pásu a transneptunická tělesa jsou převážně tvořena vodou v pevném skupenství. Velký podpovrchový oceán vody se předpokládá na Jupiterově měsíci Europa.

V červenci 2007 bylo oznámeno,^[11] že se voda v plynném skupenství nachází i na extrasolární planetě — konkrétně na planetě HD 189733b, nacházející se 63 světelných let od Země v souhvězdí Lištičky.

• plynná (vodní pára)
  • Merkur 3,4 % v atmosféře
  • Země – stopy, záleží na podnebí
  • Mars 0,03 % v atmosféře
  • Jupiter 0,1 % v atmosféře
  • Saturn 0,1 % v atmosféře
  • Enceladus (měsíc planety Saturn) – 100 % v atmosféře
• kapalná:
  • Země – 71 % povrchu
  • Mars – podle NASA je na Marsu kapalná voda ^[12]
  • Europa (měsíc planety Jupiter) – náznaky, protože na povrchu je led
  • Io (měsíc planety Jupiter) – málo nebo žádná voda (předpoklad)
• zmrzlá voda (led)
  • Mars – výskyt potvrdila na pólech orbitální sonda Mars Express
  • Pluto – odhad, že led tvoří asi 30 % Pluta
  • Europa (měsíc planety Jupiter) – na povrchu je led
  • Merkur – výskyt potvrdila sonda Mariner 10, nachází se v kráterech blízko pólů
  • Phoebe (měsíc planety Saturn) – předpoklad podle hustoty
  • Enceladus (měsíc planety Saturn) – velmi pravděpodobný předpoklad
  • komety – předpoklad
  • okraje mlhovin, např. v Oortově oblaku – předpoklad
• není vůbec:
  • Venuše

Voda a člověk

„Nepatří mezi živiny, ale je pro lidský organizmus nezbytná. Tvoří prostředí pro životní děje, je rozpouštědlem většiny živin, pomáhá regulovat tělesnou teplotu a umožňuje trávicí procesy. Díky pravidelné výměně vody můžeme z těla vyplavovat škodlivé látky“.^[13] Především u minerálních vod však dochází k usazování minerálů v těle.^[14] Dospělý člověk by měl denně přijmout 2–3 litry vhodných tekutin (tj. včetně vody obsažené v jídle), při velké fyzické zátěži i více.^[13] Nesmí se však přijímat velké množství vody nárazově, aby zatížené ledviny zvládly vyloučit takové množství.^[15] Člověk vydrží nejdéle bez vody 7–10 dní. Při dlouhodobém nedostatku vody může dojít k tvorbě ledvinových kamenů a krátkodobý nedostatek se projeví žízní, nevolností, slabostí a křečemi.^[16] Dále je důležité dbát na pitný režim u dětí a seniorů, kteří jsou náchylnější k dehydrataci, onemocnění ledvin a močových cest. Nedoporučuje se pít při jídle ani po něm, aby se nesnižovala účinnost trávení.^[17] Vodu ztrácíme denně v podobě moči (1,5–2 l), pocením, plícemi (při dýchání se za 24 hodin vyloučí asi 400 ml vody) a stolicí.^[18]

Rostliny

Voda má pro rostliny více významů než jako rozpouštědlo živin. Pro mnoho druhů je prostředím, kde žijí. U některých^[kdy?] rostlin je voda nebo zvýšení jejího obsahu (například v semenech) důležitou součástí některých procesů.

Voda pomáhá dopravovat látky v rostlinách (transpirační proud a asimilační proud) a je součástí mnoha dalších procesů založených na fyzikálních a chemických principech. Voda je například zdroj H⁺ při fotosyntéze. Funguje jako termoregulace. Udržuje buněčné napětí (turgor). Voda může někdy nahradit substrát (například hydroponie)

Vodní hospodářství

Vodní hospodářství obecně zajišťuje dodávky pitné vody (vodní zdroj, vodárna, vodojem, vodovod, vodovodní přípojka) pro domácnosti i průmysl a nakládá s odpadními vodami. Provádí odběr, transport (stoková síť neboli kanalizace) a čištění odpadních vod v čistírnách odpadních vod. Předchází znečištění vody.

Pitná voda

 

Státy s nejmenšími zásobami obnovitelné sladké vody v m³ na obyvatele za rok.
červeně: pod 500 m³ na obyvatele za rok
oranžově: 500–1700 m³ na obyvatele za rok.

Pitná voda se získává úpravou surové vody. Surová voda se získává z podzemních nebo povrchových zdrojů. Z některých zdrojů – zejména podpovrchových – je možné získat pitnou vodu bez úpravy.

• Ke shromažďování povrchové vody slouží vodní nádrž (přehrada), v níž se nachází odběrová věž s několika odběrovými šachtami v různých hloubkách. Odebírá se podle příkazu z úpravny vody, která bývá v blízkosti přehrady. Vhodná teplota pro odběr je méně než 12 °C.
• Výjimečně se využívá umělé filtrace a absorpčními schopnosti půdního sedimentu, protože řasy často ucpávají filtraci. Voda z toku se nechá infiltrovat z umělých nádrží do podzemí a z podzemí se poté čerpá. Příkladem může být vodárna v obci Káraný, která od r. 1911 vyrábí kvalitní pitnou vodu pro přibližně třetinu Prahy a řadu dalších obcí a měst Středočeského kraje.
• Čerpání z podpovrchových zdrojů z podzemních vrtů.

Surová voda se odvádí do úpravny vod. Tam se upravuje (mechanické předčištění, chemické čeření, filtrace přes pískové filtry, odstranění iontů železa a manganu, někdy i částečné odstranění dusičnanů a dusitanů, dezinfekce). Pak směřuje do vodojemů a z nich se vodovody dopravuje k spotřebitelům.

K pitné vodě v současnosti (2006) nemá přístup více než 1 miliarda lidí. Proto je zajištění přístupu k pitné vodě jedním z cílů usnesení OSN Rozvojové cíle tisíciletí. Usiluje o to také česká humanitární organizace Člověk v tísni.

Balená voda

 

Balená minerální voda

Výroba a prodej balených vod má v Česku dlouhou tradici, kterou můžeme vystopovat až do 16. století. Původně šlo výhradně o vody léčivé (ať už se skutečným nebo domnělým účinkem), stáčené do kameninových džbánků. K nim se později (18. – 19. století) přidaly i vody, které byly pro svou zvláštní chuť považovány za osvěžující nápoj. Jednalo se buď o minerální vody nebo o vody s vysokým obsahem oxidu uhličitého (CO₂), ať původu přirozeného (kyselky) nebo uměle připravované, stáčené převážně do skla. Tento stav se v Evropě v podstatě udržel do 60.–70. let minulého století, kdy jednak skleněné obaly začaly být postupně vytlačovány plastovými a jednak došlo ještě k jiné, mnohem revolučnější změně: balené vody začaly být používány též jako zdroj „obyčejné“ pitné vody, nejen jako řešení občasných havarijních situací, ale především jako náhrada za pitnou vodu distribuovanou veřejnými vodovody. Což znamená, že se vedle vybraných druhů minerálních vod začaly stáčet i vody z kvalitních podzemních zdrojů pitné vody, které nevykazovaly ani zvláštní chuť, ani zvláštní farmakologický účinek.^[19]

Znečištění vody

Voda má hodnotu nejen ekonomickou, ale i ekologickou. Pětina lidstva nemá přístup k nezávadné vodě. 2,6 miliardy lidí postrádá hygienické zázemí. Ve 20. století zmizelo 50% světových mokřadů. 3 miliony lidí ročně umírají na choroby způsobené kontaminovanou vodou a špatnou hygienou (např. průjmová onemocnění a malárie), 90% z nich jsou děti do pěti let. O to nepříjemnější je skutečnost, že se zásoby sladké vody na Zemi snižují. Podle odhadu Organizace pro výživu a zemědělství (FAO) klesly zásoby vody v Evropě o třetinu, v Asii o tři čtvrtiny a v Africe o dvě třetiny. Rozdíly mezi zásobami vody a její spotřebou se neu