Voda - H2O

voda
je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Je základní podmínkou pro existenci života na Zemi. Voda se vyskytuje ve třech skupenstvích. 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, v kapalném - voda a v plynném - vodní pára.

Rozdělení vody

podle skupenství: podle meteorologie: podle vlastností: podle mikrobiologie podle přírodní medicíny

Chemické a fyzikální vlastnosti

Voda vzniká prudkým až explozivním slučováním vodíku s kyslíkem (hořením bezbarvým plamenem) podle rovnice:
2H2 + O2 --> 2 H2O,
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 + 3 O2 --> 2 H2O + CO2,
nebo hexanu (hlavní složky benzínu)
2 C6H14 + 19 O2 --> 14 H2O + 12 CO2.
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. 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, za existenci vodíkové vazby (zvané též vodíkové můstky) a anomálie následujících vlastností:
* hustota - Největší hustotu nemá led, ale tekutá voda při 3,95 °C. Je to způsobeno polymerizací vodních molekul v závislosti na teplotní změně úhlu mezi atomy vodíku. Nejmenší objem má proto při 3,95 °C a dalším snižováním teploty se objem zase zvětšuje. Krystalová struktura ledu má okolo 10 % „děr“ (ledovce "vystrkují" toto procento objemu nad hladinu, zatímco 90 % skrývají). Voda o teplotě kolem 4 °C se hromadí na dně oceánu a vodních nádrží. Tato zvláštnost má např. tyto důsledky:
- led se tvoří na povrchu vodních ploch a tím nezmrzlou vodu izoluje, voda tolik nepromrzává 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
* měrná tepelná kapacita (specifické teplo) - je třikrát 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).
* 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. Právě díky vysoké měrné tepelné kapacitě je voda často využívána pro transport tepla. Zajímavá je také závislost hustoty vody na její teplotě: nejvyšší hustotu má při přibližně 4 °C, což způsobuje například to, že u dna hlubokých nádrží má právě tuto teplotu. Chemicky čistá voda (destilovaná voda či deionizovaná voda) je elektricky nevodivá, ale i malé množství rozpustných příměsí způsobuje její vodivost. Mpembův jev: teplá voda paradoxně mrzne (mění skupenství z kapalného na tuhé dřív než studená (k jevu nemusí dojít vždy).

Povrchové napětí a viskozita

teplota [°C]povrchové napětí
[mN/m]
viskozita
[mPa·s]
0 75,6 1,78
10 74,2 1,31
20 72,8 1,00
30 71,2 0,80
50 67,9 0,55
100 58,9 0,28

Tepelná vodivost

teplota [°C]tepelná vodivost
[W/(m.K)]
-20 kapalina: 0,523,
led: 2,43
0 kapalina: 0,564,
led: 2,22
10 0,584
20 0,597
30 0,618
50 0,645
80 0,670
100 0,682

Tvrdost vody

Veličina nejčastěji udávajíci 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. Celkovou tvrdost můžeme rozdělit na přechodnou, tj. uhličitanovou a na stálou. Přechodnou (karbonátovou) tvrdost vody způsobují rozpustné hydrogenuhličitany a to především hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2 a hydrogenuhličitan hořečnatý Mg(HCO3)2; tuto tvrdost vody lze odstranit převařením - dekarbonizací:
Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 --> MgCO3 + H2O + CO2.
Vařením se však nezbavíme tvrdosti trvalé (nekarbonátové), za kterou jsou odpovědné především sírany, a to síran vápenatý CaSO4 a síran hořečnatý MgSO4. K jejich odstranění používáme srážení působením hydroxidu vápenatého Ca(OH)2 a uhličitanu sodného Na2CO3:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --> 2 CaCO3 + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 --> CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O
MgSO4 + Ca(OH)2 --> CaSO4 + Mg(OH)2
CaSO4 + Na2CO3 --> CaCO3 + Na2SO4,
čímž se rozpustné hydrogenuhličitany a sírany převedou na méně rozpustné normální uhličitany, a to uhličitan vápenatý a uhličitan hořečnatý, resp. hydroxid hořečnatý. Hodnotu tvrdosti vody uvádíme v mmol/l nebo tzv. německých stupních tvrdosti (dGH). Jeden německý stupeň odpovídá 10 mg CaO v jednom litru vody. Současná (2005) česká norma stanovuje tvrdost vody podle koncentrace Ca a Mg (mmol/l). Mezi uvedenými jednotkami je možno přibližně převádět podle vztahu 1 mmol/l = 5,61°dGH. Z celkové tvrdosti vody jsou odvozeny tyto údaje: tvrdost od 1 do 10° značí vodu měkkou, z toho do 5° jde o vodu zvláště měkkou. 10-20° značí střední tvrdost, 20-30° značí vodu tvrdou a přes 30° zvláště tvrdou.

Voda v přírodě

schéma stojatých vod: 1. déšť, 2. stojatá voda, 3. nepropustné podloží.
Rozšířením vody na Zemi a jejím pohybem se zabývá hydrologie. Naše planeta se odlišuje od všech ostatních, které známe, jednou látkou, a to je voda, i když se v malém množství vyskytuje i na jiných planetách. Při pohledu z vesmíru vypadá Země jako modrobílá planeta: bílá od vodní páry a modrá od vody. A zákonitě všechny formy života závisejí na vodě. Část zemského povrchu s obsahem vody v kapalném skupenství nazýváme hydrosféra. Většinu povrchu Země (71 %) tvoří slaná voda, ta 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. 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.

Výskyt vody ve vesmíru

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 přepokládá na Jupiterově měsíci Europa.
* 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
- Europa (měsíc planety Jupiter) - náznaky, protože na povrchu je led
- Io (měsic 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
- Phoebe (měsíc planety Saturn) - předpoklad podle hustoty
- Enceladus (měsíc planety Saturn) - velmi preavděpodobný předpoklad
- komety - předpoklad
- okraje mlhovin, např. v Oortově oblaku - předpoklad

* není vůbec:
- Venuše

Význam a použití

1. Je základní podmínkou života. Ve vodě vznikl život. Je to rozpouštědlo, ve kterém probíhají veškeré chemické děje v organismu. Lidské tělo obsahuje 70 % a rostliny až 90 % vody. Už ztráta 20 % tělesné vody je smrtelná. Na dehydrataci člověk umírá asi během 7 dnů. (Podle Guinnesovy knihy rekordů vydržel bez vody nejdéle jeden mladý Rakušan, kterého policie zapomněla v cele pro zadržené. Našla ho po 18 dnech na prahu smrti.)
2. Je nejdůležitější surovinou všech průmyslových odvětví, používá se ke chlazení, ohřevu, oplachu, k výrobě elektrické energie ve formě páry a v potravinářství k výrobě nápojů atd.
3. Je základní podmínkou rostlinné a živočišné výroby
4. Je zdrojem obživy v přímořských státech
5. Vodní toky (řeky) a plochy (oceány, moře, jezera) hrají významnou roli v dopravě.
6. Přítomnost vodních ploch má vliv na klima krajiny.
7. Voda je využívána při rekreaci a sportu.
8. Minerální voda má léčivé účinky.

Obsah vody v některých potravinách:

* máslo 18 %
* chléb 40 %
* sýr 30 až 60 %
* jogurt, mléko 87,5 %
* maso 60-75 %
* jablko, hruška 85 %
* vodní meloun 90 %
* mrkev 94 %
* okurky, rajčata 98 %

Pitná voda

Pitná voda se získává úpravou surové vody. Surová voda se získává v České republice z podzemních (asi 45-55 %) nebo povrchových (asi 45-55 %) zdrojů. Z některých zdrojů - zejména podpovrchových - je možné získat pitnou vodu bez úpravy.
* Ke shromažďování povrchové vody slouží vodárenská 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 sorpční 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, desinfekce). Pak směřuje do vodojemů a z nich se vodovody dopravuje k spotřebitelům. Spotřeba vody domácnostmi v České republice:
* r. 1990 - 171 l vody na osobu a den
* r. 2005 - 98,9 l vody na osobu a den
Spotřeba vody domácnostmi klesá zejména kvůli růstu cen vody a díky úspornějším spotřebičům. Hygienické požadavky na pitnou vodu (kontroly, balená voda, chemické, fyzikální a mikrobiologické limity) stanovuje vyhláška Ministerstva zdravotnictví č. 252/2004 Sb.. Byla vydána na základě zákona č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví. K pitné vodě nemá přístup více než 1 miliarda lidí. Proto je zajištění přístupu k pitné vodě jedním z cílů usnesení OSN Rozvojové cíle tisíciletí.

Balená voda

Výroba a prodej balených vod má u nás 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 plastickými 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.

Znečištění vody

Hlavní článek: Znečištění vody Voda má hodnotu nejen ekonomickou, ale i ekologickou. Pouze 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 neustále prohlubují a lze přitom předpokládat, že spotřeba vody bude v následujících letech stále stoupat. Značná část znečištění životního prostředí pochází ze zemědělství (pesticidy, hnojiva i zvířecí exkrementy) a zasahuje i vodní zdroje. Pitná voda se stává strategickou surovinou a do intenzivně využívaných zemědělských oblastí se musí přivádět z velkých vzdáleností.

Bezpečnost

Chemické znečištění vody nelze převařením odstranit. Bakteriologické znečištění odstraníme povařením aspoň 5 minut. (Viry se usmrtí až po 30 minutách.) Požadavky na jakost vody pro koupání ve volné přírodě upravuje vyhláška Ministerstva zdravotnictví č. 464/2000 Sb.

Voda v politice

Význam vody pro lidstvo podtrhlo vyhlášení „Evropské vodní charty“ dne 6. května 1968 ve Strasbourgu:

Evropská vodní charta

1. Bez vody není života. Voda je drahocenná a pro člověka ničím nenahraditelná surovina.
2. Zásoby sladké vody nejsou nevyčerpatelné. Je proto nezbytné tyto udržovat, chránit a podle možnosti rozhojňovat.
3. Znečišťování vody způsobuje škody člověku a ostatním živým organismům, závislým na vodě.
4. Jakost vody musí odpovídat požadavkům pro různé způsoby jejího využití, zejména musí odpovídat normám lidského zdraví.
5. Po vrácení použité vody do zdroje nesmí tato zabránit dalšímu jeho použití pro veřejné i soukromé účely.
6. Pro zachování vodních zdrojů má zásadní význam rostlinstvo, především les.
7. Vodní zdroje musí být zachovány.
8. Příslušné orgány musí plánovat účelné hospodaření s vodními zdroji.
9. Ochrana vody vyžaduje zintenzivnění vědeckého výzkumu, výchovu odborníků a informování veřejnosti.
10. Voda je společným majetkem, jehož hodnota musí být všemi uznávána. Povinností každého je užívat vodu účelně a ekonomicky.
11. Hospodaření s vodními zdroji by se mělo provádět v rámci přirozených povodí a ne v rámci politických a správních hranic.
12. Voda nezná hranic, jako společný zdroj vyžaduje mezinárodní spolupráci.

Historická poznámka

Iónský filosof Thales Miletský v 6. století před Kristem pokládal vodu za základní element své kosmologie. Jeho následovníci až do Aristotela přidali další základní elementy, jako je oheň, země a vzduch, což potom dominovalo islámskému a křesťanskému myšlení. Čtyřprvkový princip přetrval až do Isaaca Newtona (De Natura Acidorum - myšlenka, že všechny látky lze převést na vodu). Až v 19. století přejal roli vody vodík. Přesné stechiometrické výpočty atomových hmotností jiných prvků však později ukázaly, že nemohou být jednoduchými násobky atomové hmotnosti vodíku.