Состав воды

Вода - химическое соединение кислорода и водорода , которое принято обозначать формулой H2O. На самом деле вода имеет более сложный состав, и химическая природа ее до сих пор окончательно не установлена. Молекулярная масса воды равна 18, но встречаются молек, 21 и 22. Они состоят из более тяжелых атомов водорода и кис­лорода, имеющих атомную массу соответственно более 1 и 16. У водорода два стабильных изотопа: протай (Н) и дейтерий (D); отношение Н: D составляет около 6700. Кроме того, известен еще один радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,26 лет - это тритий (Т). У кислорода три стабильных изотопа: 16О (99,759%) 17О (0,037%) и 18О (0,204%). Имеются также более легкие радиоак­тивные изотопы, с периодом полураспада, исчисляе­мыми в секундах. Установлено, что изотопный состав кислорода атмосферного воздуха одинаков в различных пунктах земного шара.

Изотопная разновидность воды, в которой протий замещен дей­терием, называется тяжелой водой. Однако в природе до сих пор не открыта ни собственно легкая, ни тяжелая вода.

Тяжелую воду для технических целей в настоящее время го­товят искусственно. Она отличается от обычной не только физи­ческими свойствами, но и физиологическим воздействием на организм.

Особый геохимический и практический интерес представляет дейтерий (D). Электронная оболочка атома дейтерия, так же как и протия, состоит из одного электрона, но его ядро-дейтон- примерно вдвое тяжелее и состоит из двух частиц-протона и ней­трона. Дейтерий применяется в современной ядерной технике как взрывчатое вещество.

Различные по генезису природные воды имеют неодинаковый изотопный состав. Изотопный состав поверхностных вод континентов и атмо­сферы Земли зависит от ряда факторов и изменяется в широких пределах. Наиболее обедненная тяжелыми изотопами вода за­фиксирована в осадках полярных регионов, а наиболее обогащен­ная - в закрытых бассейнах аридной зоны.

Одной из главных причин, создающих дифференциацию изото­пов в природных водах, является процесс испарения. Упругость паров тяжелой воды несколько ниже упругости паров обычной, а так как процесс испарения является основным фактором кру­говорота воды, то обогащение вод тяжелыми изотопами в местах испарения и обеднение ими в местах конденсации может вызвать заметную разницу в плотности воды.

Установлена следующая закономер­ность распределения изотопов водорода в поверхностных и атмо­сферных водах:

Пресные поверхностные воды рек, озер и других водоемов , пополняющихся главным образом за счет атмосферных осадков, содержат дейтерия и кислорода-18 меньше, чем океанические воды;

Изотопный состав пресных поверхностных вод определяется физико-географическими условиями их нахождения.

Аномальные свойства воды

Изучению внутреннего строения воды посвящены иссле­дования фундаментального характера. По степени изученности не­которых свойств вода значительно превосходит другие вещества. Однако многие существенные особенности строения и свойства воды остаются еще невыясненными. Выявляются все новые свой­ства воды. Они не были известны раньше и не находят пока объяснения на основе прежних представлений о внутреннем ее строении.

Нас интересуют те особенности строения молекулы воды, кото­рые придают ей интенсивную растворяющую способность и с кото­рыми связаны специфические свойства, известные под названием аномалий воды. Еще в двадцатых годах нашего века на основе учения о полярной структуре молекул воды были разработаны простейшие представления об ассоциации молекул в жидкой воде как результат взаимодействия диполей. Эти представления заклю­чаются в следующем.

Одной из особенностей строения молекулы воды является не­симметричное расположение атомов водорода вокруг атома кисло­рода: они расположены не по прямой, проведенной через центр атома кислорода, а под углом (рис. 1). Центры ядер атомов водорода расположены на расстоянии 9,5*10-8 см от центра атома кислорода. Угол между линиями, соединяющими центры атомов кислорода и водорода, равен 104,5°. Связь между атомами кисло­рода и водорода в молекуле воды осуществляется электронами. Вследствие несимметричности распределения электрических заря­дов молекула воды обладает полярностью, т. е. имеет два полюса - положительный и отрицательный, которые так же, как и магнит, создают вокруг нее силовые поля.

Таким образом, для молекулы воды характерно дипольное строение (диполи). Их изображают в виде овалов, полюса ко­торых имеют противоположные по знаку электрические заряды. При достаточном сближении молекулы воды начинают действо­вать друг на друга своими силовыми полями. При этом положи­тельно заряженный полюс одной молекулы притягивает отрица­тельно заряженный другой. В результате могут получиться агре­гаты из двух, трех и более молекул (рис. 2).

http://pandia.ru/text/78/314/images/image002_6.gif" width="139" height="103 src=">

Рис. 2. Образова­ние диполями воды ассоциированных молекул (дигидроля).

Такие группировки молекул воды называются дигидролями и тригидролями. Следовательно, в воде одновре­менно присутствуют одиночные (моногидроли), двойные и трой­ные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от тем­пературы. Во льду доминируют тройные молекулы, обладающие наибольшим объемом. При повышении температуры скорость дви­жения молекул возрастает, и силы притяжения между молекулами оказываются недостаточными для удержания их друг около друга. В жидком состоянии вода представляет смесь дигидролей, тригидролей и моногидролей. С увеличением температуры тройные и двойные молекулы распадаются, при 100 °С вода состоит глав­ным образом из моногидролей.

Хотя изложенные представления о строении воды были пере­смотрены (рис. 3), основные выводы об известном соответствии структур, возникающих из связанных между собой молекул в жид­кой воде и во льду, получили подтверждение и при последующих исследованиях. В дальнейшем разными исследователями на основе результатов, полученных с помощью экспериментальных методов, были разработаны различные теории жидкого состояния воды, но ни одна из них не находится еще в достаточном согласии со всей совокупностью экспериментальных данных о свойствах воды. Можно считать, что в жидкой воде находятся в динамическом равновесии образования из тетраэдрически связанных молекул и частично или полностью свободных молекул. Химически чистая вода обладает рядом аномальных свойств:

1) при нагревании воды от 0 до 4°С ее объем не увеличи­вается, а уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке замерзания (0°С), а при 4°С (точнее 3,98 °С);

2) вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все другие тела, плотность ее уменьшается;

3) температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожи­дать;

4) удельная теплоемкость воды чрезвычайно велика по сравнению с теплоемкостью других тел;

5) вследствие высокой ди­электрической постоянной вода обладает большей растворяю­щей и диссоциирующей способ­ностью, чем другие жидкости;

6) вода обладает самым большим поверхностным натяжением из всех жидкостей, за исключе­нием ртути;

Поверхностное натяжение и плотность определяют высоту, на которую может подняться жидкость в капиллярной системе при фильтрации через пористые среды.

Причина перечисленных аномальных свойств воды заключается в особенностях строения ее молекул.

Вода как растворитель

Если поместить воду во внешнее электрическое поле, то молекулы ее под действием поля стремятся расположиться в про­странстве так, как показано на рис. 4. Это явление называется ориентационной поляризацией, ею обладают вещества с поляр­ными молекулами. Высокая полярность молекул воды является одной из важнейших причин ее высокой активности при многих химических взаимодействиях. Она же служит причиной и электро­литической диссоциации в воде солей, кислот и оснований. С нею связана также и растворимость электролитов в воде.

Растворение есть не только физический, но и химический про­цесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами рас­творителя. Вода обладает способно­стью растворять многие вещества, т. е. давать с ними однородные фи­зико-химические системы перемен­ного состава (растворы). Раство­ренные в природных водах соли на­ходятся в диссоциированном состоя­нии, в виде ионов. В твердом кри­сталлическом состоянии ионные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. Молекулы в этом случае отсутствуют. Так, например, в галите, как это опре­делено рентгеновским структурным анализом, каждый ион Na+ окружен шестью ионами Сl-, а также ион Сl - шестью ионами натрия. Ионы взаимодействуют между собой, притягивая друг друга (ионная связь).

В чем состоит механизм растворения? Молекулы воды в силу особенностей своего строения и возникающего из-за этого вокруг них силового поля обладают способностью притягивать молекулы других веществ. Процесс растворения заключается как раз во взаимодействии частиц растворяющего вещества с частицами воды. При соприкосновении с водой какой-нибудь соли ионы, образующие ее кристаллическую решетку, будут притягиваться противоположно заряженными частицами молекул воды. Например, при погружении в воду кристаллов галита ион натрия (катион) будет притягиваться отрицательным полюсом молекулы воды, а ион хлора (анион) - положительным (рис. 5). Чтобы ионы кристаллической решетки оторвались друг от друга и перешли в раствор, необходимо преодолеть силу притяжения этой решетки. При растворении солей такой силой является притяжение ионов решетки молекулами воды, характеризуемое так называемой энергией гидратации.

http://pandia.ru/text/78/314/images/image004_6.gif" width="154" height="225 src=">

Рис. 5. Разрушение ион­ной решетки кристалла NaCI полярными молеку­лами воды при растворе­нии.

DIV_ADBLOCK102">

В зависимости от природы вещества при его растворении обычно происходит выделение или поглощение тепла. Ионы раст­воренного вещества притягивают и удерживают вокруг себя опре­деленное число молекул воды, которые образуют оболочку, назы­ваемую гидратной. Таким образом, в водном растворе ионы яв­ляются гидратированными, т. е. химически связанными с молеку­лами воды (рис. 6). При кристаллизации многих солей часть гидратной воды захватывается кристаллическими решетками. По­добную кристаллизационную воду содержит гипс CaSO4*2H2O, мирабилит Na2S04*10H20, сода Na2CO3*10Н2О. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Растворимость солей

В воде могут растворяться твердые, жидкие и газооб­разные вещества. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы: 1) хорошо растворимые, 2) плохо растворимые и 3) практически нерастворимые. Необходимо подчеркнуть, что абсолютно нерастворимых веществ нет. Так, стекло, серебро, зо­лото - это примеры практически нерастворимых веществ. Однако и они в ничтожных количествах все же растворяются в воде.

Минерализацию (или сумму всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ) природных вод создают обычно ионы немногих солей: хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты натрия, магния, кальция. Весьма важно иметь представление о растворимости этих солей, которая изменяется в значительных пределах (растворимость в %о при 18 °С): СаС12 - 732, MgCl2 - 558, NaCl -359, MgSO4 -354, Na2CO3-194, Na2SO4-168, CaSO4 - 2,01, MgCO3 - 0,022, СаСО3 -0,013.

Как видим, растворимость многих солей очень высокая, за исключением сульфата и карбоната кальция. Однако при изуче­нии природных вод относить CaSO4 к слаборастворимым солям никак нельзя. Эту соль все же следует считать сравнительно вы­соко растворимой и некоторые почвоведы, не без основания, на­зывают гипс хорошо растворимой солью.

Растворимость твердых веществ в воде зависит не только от их химической природы, но и от температуры (рис. 7), давления, измельченности (дисперсности) и от наличия в воде газов и при­месей.

Как видно из табл. 1, растворимость хлористого натрия мало изменяется при повышении температуры от 0 до 60 °С. Раствори­мость же карбоната и сульфата натрия сильно возрастает.

На растворимость кремнекислоты большое влияние оказывает температура. В системе кремниевая кислота - вода зависимость растворимости от температуры носит линейный характер. Темпера­турный коэффициент равен 4 мг/(л*град), т. е. при 200 °С раство­римость кремниевой кислоты достигает 800 мг/л. В обычных усло­виях растворимость ее очень низкая (несколько миллиграммов в 1 л).

К числу солей, понижающих свою растворимость с ростом температуры, относится CaSO4. По мере возрастания давления растворимость в общем повышается, хотя и не намного. Поскольку в природных условиях давление ме­няется незначительно, влияние этого фактора на растворимость солей, за несколькими исключениями, сказы­вается слабо.

Как известно, растворимость данной соли уменьшается в присут­ствии другой соли, имеющей с ней одноименный ион, и, наоборот, по­вышается, если в растворе нахо­дятся неодноименные ионы. Напри­мер, пределы растворимости CaSO4 в присутствии различных солей сильно меняются. При наличии в растворе большого количества хло­ристого натрия (порядка 100 г/л) растворимость CaSO4 достигает 5- 6 г/л.

http://pandia.ru/text/78/314/images/image007_3.jpg" width="360" height="43 src=">

Таблица 1

Растворимость солей при различной температуре, %

	Температура, oС

Реакции эти носят обратимый характер и протекают до на­ступления определенного равновесия. В результате указанных реакций в воде появляются гидрокарбонаты кальция и магния. Следует отметить, что ни гидрокарбонаты кальция, ни гидрокар­бонаты магния в твердом виде не существуют. Минерализация широко распространенных в природе гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод обычно достигает 500-600 мг/л. В присутствии больших количеств СО2 растворимость Са(НСО3)2 и Mg(HCO3)2 может превосходить 1 г/л (углекислые минеральные воды).

С ростом температуры растворимость гидрокарбонатов каль­ция и магния в значительной степени уменьшается и при 100°С падает практически до 0. При высокой температуре эти соли раз­лагаются с выделением СО2 и выпадением карбонатов в осадок

0 " style="margin-left:51.65pt;border-collapse:collapse">

Температура, оС

Зависимость растворимости газов от давления определяется законом Генри: растворимость газов в данном объеме жидкости (при постоянной температуре) прямо пропорциональна давлению газа

http://pandia.ru/text/78/314/images/image010_1.gif" width="369" height="43 src=">

Растворимость смеси газов определяется законом Генри - Дальтона: растворимость каждой составной части смеси газов в жидкости пропорциональна пар­циальному (частичному) давлению данной со­ставной части над раствором.

Ввиду различной растворимости составляющих газовую смесь компонентов химический состав свободного и находящегося с ним в равновесии растворенного газа неодинаков. Возьмем для примера атмосферный воздух. В нем содержится азота 78%, кислорода 21 % и отношение кислорода к азоту приблизительно составляет 1:4. При парциальном давлении кислорода 0,21, а азота 0,78 (табл. 2) растворимость газов при t = Q ° C будет равна (в °/оо по объему):

Анод" href="/text/category/anod/" rel="bookmark">аноду и называются ани­онами;

в) процесс диссоциации - процесс обратимый: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциацией) идет процесс со­единения ионов в молекулы (моляризация).

Последнее обстоятельство заставляет в уравнениях электроли­тической диссоциации вместо знака равенства ставить знак обра­тимости. В растворах электролитов наряду с их ионами присутст­вуют молекулы. Беря в качестве примера NaCI, имеем:

Диссоциация →

NaCI ↔ Na+ +С1-

←Моляризация

В то время как скорость диссоциации по мере распада моле­кул уменьшается, скорость обратного процесса – моляризации - увеличивается. Когда скорости обоих процессов сравняются, на­ступит состояние равновесия, при котором относительное количе­ство недиссоциированных молекул и ионов остается постоянным.

Отношение числа диссоциированных молекул к общему числу растворенных молекул называется степенью диссоциации электро­лита. Не все электролиты обнаруживают одинаковую способность к диссоциации. Одни из них полностью распадаются на ионы, другие частично и в разной мере. Сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы. К ним от­носятся многие соли, минеральные кислоты, основания щелочных и щелочноземельных металлов. Слабые электролиты при раство­рении в воде лишь частично диссоциируют на ионы. К ним отно­сятся почти все органические кислоты, некоторые минеральные кислоты, например Н2СО3, H2S, H2SiO3, многие основания метал­лов. К слабым электролитам относится вода.

Кроме электролитов в растворе находятся и неэлектролиты, молекулы которых хотя и имеют гидратную оболочку, но на­столько прочны, что не распадаются на ионы (02, N2).

Поскольку все реакции в водных растворах электролитов пред­ставляют собой взаимодействие ионов, уравнения этих реакций следует писать в ионной форме. В качестве примера можно при­вести уравнение реакции взаимодействия растворов хлорида ба­рия BaCl2 и сульфата натрия Na2S04. Молекулярное уравнение этой реакции записывается так:

http://pandia.ru/text/78/314/images/image013_0.gif" width="437" height="55">

Исключив из обеих частей этого уравнения одинаковые ионы, можно получить сокращенное ионное или просто ионное уравнение акции:

Агрессивность" href="/text/category/agressivnostmz/" rel="bookmark">агрессивностью по отношению к бетону («магниевая агрессия»).

Растворы, виды растворов

Если в какой-либо среде в виде очень мелких частиц распределено другое вещество, то такая система называется дис­персной. Свойства дисперсных систем, в первую очередь их устойчивость, сильно зависят от размеров распределенных частиц. Если раздробленное вещество доведено до размеров раздробления <1*10-6 м), такие высокодисперсные системы очень устойчивы, не разделяются при сколь угодно долгом стоянии,

К категории дисперсных систем относятся растворы. Всякий раствор состоит из растворенного вещества и растворителя. Часто бывает трудно установить, что является растворителем, а что - растворенным веществом. Условно принято считать растворителем то вещество, которое находится в избытке.

Однородность растворов и явления теплового эффекта при растворении приближает растворы к химическим соединениям. Возможность изменения концентрации растворенного вещества в широких пределах сближает растворы с механическими смесями.

В зависимости от величины частиц растворенного вещества различают истинные и коллоидные растворы. Растворы называют истинными, когда растворенное вещество находится в них в иони­зированном состоянии. В ионном растворе по принципу электро­нейтральности всегда содержатся равные количества эквивален­тов катионов и анионов. В природных условиях ионные растворы образуются обычно при растворении простых солей.

Коллоидными называются такие растворы, в которых вещество находится не в ионизированном состоянии, а в виде групп мо­лекул, так называемых «коллоидных частиц». Размеры частиц в коллоидных растворах лежат примерно в пределах 10-10 – 2*10-8 м. В устойчивых коллоидных растворах частицы в боль­шинстве случаев несут электрические заряды, различные по ве­личине, но одинаковые по знаку для всех частиц данной коллоид­ной системы. Коллоидные растворы называются золями. Золи способны переходить в гели, т. е. превращаться в студнеобразные массы в результате укрупнения коллоидных частиц (процесс коа­гуляции).

В природе коллоидные растворы могут быть органическими и неорганическими. Последние образуются преимущественно при гидролитическом расщеплении различных силикатов, которые при гидролизе выделяют заключающиеся в них основания (щелочные и щелочно-земельные металлы), дающие начало истинным раство­рам. Но, кроме того, при гидролизе в раствор переходят кремний, железо, алюминий и другие металлы, образующие большей частью коллоидные растворы.

Концентрация растворов, способы ее выражения

В гидрохимии широко распространен термин минерали­зация воды, под которым понимают сумму всех найденных при анализе минеральных веществ. В океанологии вместо минерализа­ции употребляется термин соленость.

Кроме минерализации, существует еще близкое к ней по величине понятие сумма ионов ∑и, т. е. сумма всех видов ионов мг/л или г/л, концентрация которых больше 0,1 мг/л . В гидрохимической практике для выражения концентрации и формы результатов анализа проб воды применяются различные способы:

а) главные ионы при общей минерализации воды более 1 г/л обычно выражаются в %о (или г/кг), меньше 1 г/л - в мг/л, так как при данных условиях 1 л воды практически равен 1 кг;

б) растворенные газы (О2, N2, СО2, Н2S, CH4 и др.) - количе­ством миллиграммов, растворенных в 1 л воды (мг/л), а в оке­анологической практике - количеством миллилитров, содержа­щихся в 1 л воды (мл/л, или %о по объему, ммоль/л);

в) биогенные вещества (соединения азота, фосфора и крем­ния) - количеством миллиграммов, содержащихся в 1 л воды (мг/л), а иногда и в микрограммах на 1 л воды (мкг/л); в оке­анологической практике - в мкг или мкмоль индивидуального элемента, содержащегося в 1 л воды;

г) микроэлементы - в мг/л, или мкг/л, или в виде степенного выражения, например, 4*10-8 г/л.

Для выражения концентраций растворов существует несколько способов:

1) массовая концентрация - отношение массы какого-либо компонента, содержащегося в растворе, к общему объему раствора. Она выражается в г/л или г/дм3 (и в кратных им единицах: г/мл, мг/л, мг/мл и т. д.);

2) молярная концентрация, или молярность - отношение количества вещества, содержащегося в растворе, к объему раствора. Примеры указания молярной концентрации С (X):

Биологическая хиимя" href="/text/category/biologicheskaya_hiimya/" rel="bookmark">биохимический распад и окисление орга­нических остатков. Двуокись углерода может иметь и неоргани­ческое происхождение. В огромных количествах она выделяется лри вулканических извержениях.

Содержание двуокиси углерода в природных водах значительно колеблется - от нескольких десятых долей миллиграмма в 1 л до 3-4 тыс. Наименьшая концентрация CO2 наблюдается в по­верхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO2 редко превышает 20- 30 мг/л.

Между CO2 атмосферы и CO2 воды существует состояние под­вижного равновесия. Если парциальное давление CO2, растворен­ной в воде (p CO2 воды), выше, чем парциальное давление CO2 в атмосфере (p CO2 атм), то двуокись углерода выделяется в атмо­сферу, при обратном соотношении (p CO2 воды < р CO2 атм) проис­ходит поглощение CO2 водой из атмосферы. Обычно воды суши, в которых протекают различные процессы разложения органиче­ского вещества, имеют большее содержание CO2 и поэтому выде­ляют ее в атмосферу.

Так же, как и кислород, двуокись углерода имеет важное жиз­ненное значение. Так, для растительных организмов она является источником углерода, без которого в природных водах не было бы жизни. Кроме того, двуокись углерода играет особую роль в гид­рохимических процессах. Она увеличивает растворяющую способ­ность воды и сама по себе является источником образования ионов НCO3 и CO3.

Азот (N2), будучи по своей природе инертным газом, все же участвует в гидрохимических процессах, косвенно являясь перво­причиной появления в воде ионов NH4, NO2, NO3. Растворен­ный в поверхностных водах азот имеет преимущественно воздушное происхождение. Наряду с этим в природе широко распростра­нен азот биогенного происхождения, возникающий в результате денитрификации.

Газ метан (СН4) относится к числу наиболее распространенных газов в подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан. Основным источником образования метана служат дис­персные органические вещества в породах. В небольших количе­ствах метан наблюдается в придонных слоях озер, где он вы­деляется из ила при разложении органических остатков.

Газ сероводород (H2S) является одним из продуктов распада; белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона.

При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невоз­можно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде. В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Встречающийся иногда в поверхностных водах сероводород служит показателем сильного загрязнения и анаэробных условий.

Главные ионы в водах и их происхождение

К числу главных ионов, содержащихся в природных. водах, относятся ионы Cl, SO4, HCO3, Na, Mg, Ca и K, которые образуют основную часть их минерального состава. Главные ионы определяют химический тип вод, иначе их назы­вают макрокомпонентами. Микрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Ряд компонентов, растворенных в водах, занимает промежуточное положение между макро - и микрокомпонентами. К их числу относятся Н, NH4, NO3, H2SiO3. Перечисленные компоненты в некоторых типах вод могут приобретать первосте­пенное значение. Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах выражается первыми единицами миллиграммов. в литре, в рассолах же достигает нескольких сотен граммов на 1 кг (промилле, %о).

Отнесение ионов K к числу главных является спорным. В под­земных и поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках попы K могут играть главную роль.

Хлоридные ионы обладают высокой миграционной способностью, т. е. способствуют к перемещению, определяемой физико-химическими константами данного иона и условиями среды, в ко­торой происходит миграция. Они не образуют труднорастворимых минералов, не адсорбируются коллоидными системами (за исклю­чением красноземных почв влажных тропиков), не накапливаются биогенным путем. Растворимость хлоридных солей натрия, маг­ния и кальция очень высокая. Вследствие указан­ных причин хлоридные ионы беспрепятственно мигрируют с во­дами. Они присутствуют во всех природных водах от следов до первых сотен граммов на 1 л рассола. В слабо - и умеренно ми­нерализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. С увеличением минерализации растет их абсолютное и от­носительное содержание. В водах повышенной минерализации ноны хлора так же, как и сульфатные ионы, по количественному содержанию занимают первое или второе место. Доминирующее значение они приобретают, в высокоминерализованных водах и рассолах. Морская вода, рассолы глубинных подземных горизон­тов и рапа большинства озер относятся к хлоридному классу.

В земной коре количество хлора составляет 0,017 % ее массы (). Главным источником содержания ионов хлора в природных водах является галит (NaCI), как рассеянный в породах, так и содержащийся в них в виде пластов и штоков. Хлор поступает в воду также и при выветривании магматических пород. Важным источником нахождения ионов хлора в поверхно­стных водах являются атмосферные осадки, содержащие то или иное количество этого иона. В засушливых районах ионы хлора поступают в природные воды при растворении солончаков. Ка­кая-то часть хлора попадает в воду с вулканическими выбросами. Наконец, одним из источников характеризуемого иона для неглу­боко залегающих грунтовых вод являются хозяйственные и про­мышленные отходы.

Сульфатные ионы также обладают хорошей подвижностью, уступая в этом отношении хлоридным. Коллоиды почв почти не задерживают SO4, и только во влажных тропиках возможно адсорбирование этого иона положительно заряженными гидро­окислами железа и алюминия. Содержание SO4 в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов Са, которые вместе с SO4 образуют сравнительно мало растворимый CaSO4.

При невысоком же содержании Са в минерализованных водах наблюдаются концентрации SO4, выражаемые десятками грам­мов на 1 л воды. В отсутствии кислорода (в анаэробной среде) сульфатные ионы становятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводорода. Основная роль в этом процессе принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, развивающим свою деятель­ность при наличии органического вещества. Схематически восстановление сульфатов изображают так:

http://pandia.ru/text/78/314/images/image017_0.gif" width="269" height="24 src=">

Таблица 3

Соотношение форм производных угольной кислоты в зависимости от рН воды

(в молярных долях, %)

В действительности не НСО3, СО3 и Н2СО3 зависят от рН, а, наоборот, - именно соотношение форм карбонатного равновесия определяет в большинстве случаев в природных водах значение рН; в данном случае показатель рН использован лишь как харак­теристика состояния равновесия. Из табл. 3 видно, что в кислых водах преобладает двуокись углерода, поскольку

Н2СО3 -> Н2О+СО2

В таблицах результатов химического анализа вод приводится содержание CO2. При рН < 5 концентрация гидрокарбонатных ионов практически равна 0; такие воды, по классификации, относятся к IV типу. В нейтральных и щелочных водах преобладают гидрокарбонатные ионы. Карбонатные ионы появляются в водах при рН > 8, а в сильно щелочных водах они становятся доминирующими.

Таким образом, по присутствию той или иной формы угольной кислоты можно судить о значении рН данной воды.

Гидрокарбонатные ноны встречаются во всех природных водах, кроме кислых. Они, как правило, доминируют в водах низкой и довольно часто - в водах умеренной минерализации. Пресные воды преимущественно относятся к гидрокарбонатному классу. Накопление в водах ионов НСО3 лимитируется присутствием кальция, образующего с HCO3 слаборастворимую соль. В при­родных водах при преобладании Са не наблюдается большого содержания ионов НСО3. Обычно в реках и озерах оно не пре­вышает 250 мг/л. В подземных водах при наличии больших коли­честв двуокиси углерода (CO2) концентрация НСО3 значительно повышается (Нарзан - 1,24 г/л).

Ионы СО3 находятся в природных водах сравнительно редко. Из-за очень низкой растворимости карбонатов кальция и магния содержание СО3 редко превышает в водах несколько миллиграм­мов на литр. Однако в природе известны воды (не часто встречающиеся), в которых содержание СО3 и НСО3 выражается граммами и даже десятками граммов на литр воды. Это так на­зываемые содовые, щелочные воды, в которых карбонатные и гид­рокарбонатные ионы связаны с ионами натрия, причем кальция и магния в подобных водах мало. Считается общепризнанным, что источником НСО3 и СО3 служат различные карбонатные породы - известняки, доломиты, мергели и другие, карбонатный цемент многих осадочных пород. Растворение карбонатов кальция и магния происходит по следую­щим уравнениям:

http://pandia.ru/text/78/314/images/image019_1.gif" width="420" height="243 src=">

Рис. 8. Относительная роль главных анионов в формировании химического состава природных вод различной минерализации.

натриевой группы. С повышением минерализации содержание Na увеличивается, и уже в водах, имеющих минерализацию несколько граммов на литр, Na в большинстве случаев становится преоб­ладающим катионом. В морской воде ионы Na составляют около 84 % массы всех катионов. Количество их в рассолах выражается несколькими десятками граммов на литр.

Большая часть ионов натрия уравновешивается ионами хлора, образуя подвижное и устойчивое соединение, которое со значи­тельной скоростью мигрирует в растворе. Меньшая, но все же зна­чительная часть Na, мигрирует в форме сернокислых солей и ча­стично в форме неустойчивых углекислых солей.

В земной коре содержание Na составляет 2,5 % по массе. Большая часть его атомов входит в состав различных силикатов. Одним из источников появления Na в водах являются продукты выветривания изверженных пород (гранит и др.).

Другим важным источником Na в водах служат залежи его солей, главным образом каменной соли, и рассеянные в почвах и породах его соединения (кристаллики минералов галита, мира­билита и др.). И, наконец, как одновалентный ион натрий вытес­няется из поглощенного комплекса пород и почв двухвалентными ионами кальция и магния, что способствует накоплению его в природных водах.

Калий по химическим свойствам и величине содержания в зем­ной коре - аналог натрия. Калий так же, как и Na, образует легкорастворимые соединения с главными анионами (КС1, K2SO4, К2СО3). Однако ионы калия содержатся в природных кодах в очень незначительных концентрациях. Количество калия обычно составляет около 4-10 % содержания натрия, с наибольшим процентом в мало минерализованных водах. Но это соотношение под влиянием локальных условий часто нарушается. Причина ука­занного явления заключается не в химических свойствах данного элемента, а в слабой миграционной способности калия, обуслов­ленной главным образом его большей биологической потребно­стью для живых организмов, в первую очередь растительных орга­низмов. Относительная концентрация ионов калия в атмосферных осадках значительно выше, чем в других видах природных вод. Это объясняется иными условиями формирования химического состава вод в атмосфере.

Кальций среди щелочных и щелочно-земельных металлов об­ладает наивысшим кларком (3,6); его содержание в известняках, мергелях и некоторых других породах может превышать 10 % (максимум - до 40%). Среднее содержание кальция в живом ве­ществе составляет 0,5%. Этот элемент активно участвует в био­логических процессах. После смерти организмов кальций быстро переходит в минеральную форму и поступает в почву. Поэтому почвенные растворы, как правило, являются кальциевыми. Каль­ций преобладает и в поглощенном комплексе почв и пород.

Ионы кальция доминируют в катионном составе слабоминера­лизованных вод. Гидрокарбонатные кальциевые воды пользуются региональным распространением в хорошо дренированных мест­ностях. С ростом минерализации относительное содержание Са быстро уменьшается. Это объясняется сравнительно ограниченной растворимостью сернокислых и низкой растворимостью углекис­лых солей кальция, вследствие чего при испарительном концентр п-ровании природных вод, имеющем место в аридных условиях, не­прерывно выводятся из раствора громадные количества Ca в виде CaS04*2H20 и СаСО3. По этой причине количество Са в природных водах редко превышает 1 г/л, обычно его содержание значительно ниже. Только в глубинных хлоридных кальциевых рассолах содержание кальция выражается десятками граммов на килограмм (промилле, %о).

Одним из важных источников Са в природных водах яв­ляются известняки, доломиты и известковистый цемент горных по­род, которые растворяются в воде по следующей схеме:

http://pandia.ru/text/78/314/images/image021_0.gif" width="371" height="172 src=">

Рис. 9. Относительная роль главных катионов в формировании химического состава

природных вод различной минерализации.

Хотя ионы магния присутствуют почти во всех природных во­дах, но тем не менее очень редко встречаются воды, в которых магний доминирует. Обычно же в маломннерализованных водах преобладает кальций, в сильноминерализованных - натрий. Од­нако лучшая растворимость сульфата и гидрокарбоната магния по сравнению с CaSО4 и Са(НСО3)2 способствует концентрированию Mg в природных водах.

Ионы магния поступают преимущественно при растворении доломитов, мергелей или продуктов выветривания основных (габбро), ультраосновных (дунит, перидотит) и других пород. В водах, формирующихся в перечисленных породах, даже на низ­ких стадиях минерализации ионы магния занимают первое место в катионном составе или разделяют первенство с ионами кальция. Зависимость концентраций главных катионов природных вод от минерализации приведена на рис. 9.

Ионы водорода. Классификация вод по величине рН

Водород - самый распространенный химический эле­мент во Вселенной. Тем не менее содержание ионов водорода в природных водах очень низкое. Только в сильно кислых водах концентрация его может достигать больших значений. Концентра­ция водородных ионов является важнейшей характеристикой природных вод, так как ионы Н играют исключительную роль в гидрохимических процессах. Многие сложные преобразования химического состава подземных вод проходят при активном уча­стии ионов Н.

Известные свойства кислот независимо от их анионов будут характеризоваться наличием положительно заряженного иона водорода. Основания же независимо от катионов при электроли­тической диссоциации воды образуют гидроксильные ионы ОН, имеющие отрицательные заряды.

Концентрацию водородных ионов выражают в виде их лога­рифмов, взятых с обратным знаком, и обозначают символом рН. Следовательно, рН = - lg (Н+). И кислую, и щелочную реакцию выражают концентрацией водородных ионов, так как их легче определять, чем концентрацию ионов гидроксильных. При рН = 7 реакция воды нейтральная, при рН < 7 - кислая, при рН > 7 - щелочная.

Величина рН в природных водах зависит от содержания в них различных форм угольной кислоты, от присутствия органических кислот, газов, микроорганизмов, от гидролиза солей и т. д.

Для большинства природных вод рН определяется главным образом соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов. Угольная кислота в воде диссоциирует с образованием ионов Н+:

http://pandia.ru/text/78/314/images/image023_0.gif" width="183" height="28 src=">

Поэтому для поверхностных вод, в которых содержание дву­окиси углерода небольшое, характерна слабощелочная реакция. Однако в случае наличия больших количеств двуокиси углерода и сравнительно небольших количеств НСО3 рН может быть

Гумусовые кислоты, присутствующие в почвах (особенно кис­лых), в перегное лесной подстилки, а также в болотных во­дах, являются источниками обогащения вод ионами водорода. Поэтому грунтовые воды лесной зоны имеют слабокислую реакцию.

Кислые воды образуются в результате гидро­лиза солей тяжелых металлов. При окислении сульфидов получаются сульфаты железа, меди, свинца и других металлов, которые гидролитиче­ски расщепляются. Например, гидролиз сульфата железа совершается по следующему урав­нению:

FeSO4 +2Н20 = Fe(ОН)2 + 2Н + SO4

Подобный процесс развивается в зоне окис­ления сульфидов металлов и особенно характе­рен для шахтных и рудничных вод.

Значения рН для природных вод колеблются от 0,45 - 1,0 до 8 - 11,5 (рис. 10). Большинство природных вод имеет рН от 6 до 8,5. Наиболее низкие значения рН (0,45-3,0) связаны с при­сутствием свободной серной, реже соляной кис­лоты. Понижения рН от 6,5 до 3,0 могут быть обусловлены, кроме присутствия серной кислоты, влиянием органических кислот и углекислого газа. Для нейтральных и слабощелочных вод (рН 6,5-8,5) характерно наличие в водах Са(НСО3)2, Mg(HCО3)2. Повышение рН до 8,5-10,5 в большинстве случаев связано с при­сутствием соды (Na2CO3 или NaHCO3). Наиболее высокие значения рН (до 11,5) характерны для термальных вод.

http://pandia.ru/text/78/314/images/image025_0.gif" width="157" height="27 src=">

Таблица 4

Соотношение форм производных кремниевой кислоты в воде в зависимости от рН (в молярных долях, %)

Таблица 4 показывает, что при значениях рН, соответствующих нейтральной и слабощелочной реакции, практически вся H4SiO4, растворенная в воде, присутствует в неионизированном виде и только при значениях рН, отвечающих сильнощелочной реак­ции, начинает преобладать ионная форма. Следует иметь в виду, что указанные значения форм кремниевой кислоты, полученные расчетным путем, не вполне подтверждаются экспериментальными данными.

Повсеместное распространение кремнезема в земной коре обес­печивает непрерывное поступление этого компонента в природные воды. Содержание кремниевой кислоты в современных речных во­дах колеблется в пределах 10-20 мг/л, в морских и океаниче­ских водах 0,5-3,0 мг/л, в подземных водах от 20-40 до 2000-3000 мг/л.

Растворимость кремнезема увеличивается с повышением тем­пературы, а также в высокоминерализованных, сильнощелочных и сильнокислых водах и в присутствии двуокиси углерода,

Вода - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71% поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах).

Свойства воды - это совокупность физических, химических, биохимических, органолептических, физико-химических и других свойств воды.
Вода - оксид водорода - одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет, - она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см 3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.
Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Химические свойства воды обусловлены ее составом. Вода на 88,81% состоит из кислорода, и только на 11,19% – из водорода. Как мы упоминали выше, вода замерзает при нуле градусов Цельсия, а вот закипает – при ста. Дистиллированная вода имеет очень низкую концентрацию положительно заряженных ионов гидроксония НО и Н3О+ (всего 0,1 мкмоль/л), поэтому ее можно назвать отличным изолятором. Однако свойства воды в природе не были бы реализованы правильно, если бы она не была хорошим растворителем. Молекула воды очень мала по размеру. Когда в воду попадает другое вещество, его положительные ионы притягиваются атомами кислорода, составляющими молекулу воды, а отрицательные – атомами водорода. Вода как бы окружает со всех сторон растворенные в ней химические элементы. Поэтому, в воде почти всегда содержатся различные вещества, в частности, соли металлов, обеспечивающие проведение электрического тока.

Физические свойства воды «подарили» нам такие явления, как парниковый эффект и микроволновая печь. Около 60% парникового эффекта создает водяной пар, который отлично поглощает инфракрасные лучи. При этом показатель оптического преломления воды n=1,33. Кроме того, вода поглощает и микроволны, благодаря высокому дипольному моменту ее молекул. Эти свойства воды в природе и натолкнули ученых на мысли об изобретении микроволновой печи.

Неизмеримо велика роль воды в природе и жизни человека. Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Она - активнейший участник формирования физической и химической среды, климата и погоды. При этом она влияет и на экономику, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и энергетику.

Без пищи мы можем прожить несколько недель, а без воды - лишь 2-3 дня. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в водорослях 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65%. Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%. В течение всей своей жизни человек теряет воду из организма, и его биоэнергетический потенциал уменьшается. В шестинедельном человеческом эмбрионе содержание воды составляет до 97%, у новорождённого - 80%, у взрослого - 60-70%, а в организме пожилого человека - лишь 50-60%.

Вода абсолютна необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Вода и содержащиеся в ней вещества становятся средой питания и поставляют живым организмам необходимые для жизни микроэлементы. Она содержится в крови (79%) и способствует переносом по кровеносной системе в растворённом состоянии тысяч необходимых веществ и элементов (геохимический состав воды близок к составу крови животных и человека.).
В лимфе, которая осуществляет обмен веществ между кровью и тканями живого организма вода составляет 98%.
Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Через определённое время она может растворить почти любое твёрдое вещество.
Такая всеобъемлющая роль воды обусловлена её уникальными свойствами.

В последнее время усилия исследователей сосредоточены на форсированном изучении процессов, протекающих на границе раздела фаз. Оказалось, что вода в граничных слоях обладает многими интересными свойствами, которые не проявляются в объемной фазе. Эта информация крайне необходима для решения ряда важных практических задач. Примером может служить создание принципиально новой элементной базы микроэлектроники, где дальнейшая.миниатюризация схем будет основана на принципе самоорганизации макромолекул на водной поверхности. Развитая поверхность также характерна для биологических систем, что обусловлено важностью поверхностных явлений для их функционирования. Практически всегда существенное влияние на характер процессов, происходящих в приповерхностной области, оказывает присутствие воды. В свою очередь под влиянием поверхности кардинально изменяются свойства самой воды, и воду у границы необходимо рассматривать как принципиально новый физический объект исследования. Весьма вероятно, что изучение молекулярно-статистических свойств воды вблизи поверхности, которое, по существу, только начинается, даст возможность эффективно управлять многими физическими и химическими процессами.

В последнее время возрос интерес к исследованиям свойств воды на микроскопическом уровне. Так, для понимания многих вопросов физики поверхностных явлений необходимо знать свойства воды на границе раздела фаз. Отсутствие строгих представлений о структуре воды, об организации воды на молекулярном уровне приводит к тому, что при изучении свойств водных растворов как в объемной фазе, так и в капиллярных системах вода часто рассматривается как бесструктурная среда. Однако известно, что свойства воды в граничных слоях могут заметно отличаться от объемных. Поэтому, рассматривая воду как бесструктурную жидкость, мы теряем уникальную информацию о свойствах граничных слоев, которые, как оказывается, во многом определяют природу процессов, протекающих в тонких порах. Например, ионная селективность ацетатцеллюлозных мембран объясняется особой молекулярной организацией воды в порах, которая, в частности, нашла свое отражение в концепции «нерастворяющего объема». Дальнейшее развитие теории, учитывающей специфику межмолекулярных взаимодействий, лежащих в основе селективного мембранного транспорта, будет способствовать более полному пониманию мембранного опреснения растворов. Это позволит дать обоснованные рекомендации для улучшения эффективности технологических процессов опреснения воды. Отсюда вытекают важность и необходимость исследований свойств жидкости в пограничных слоях, в частности вблизи поверхности твердого тела.



Тема 3.1. Вода, растворы.

Периодическая печать

Журнал «Вестник образования России» http:/www.vestniknews.ru или http:/www.informika.ru

Журнал «Аутизм и нарушения развития» E-mail: [email protected]

Журнал «Профильная школа»

Журнал «Дефектология» [email protected]

Журнал «Практическая психология и логопедия» [email protected]

Журнал «Психология» ig-socin@ mail.ru

Журнал «Профессиональное образование» [email protected]@FIRO.RU

Журнал «Психическое здоровье»

Журнал «Коррекционная педагогика»

Журнал «Вопросы психологии»

Журнал «Специальная психология»

Журнал «Обучение и воспитание детей с проблемами в развитии»

Журнал «Вестник Московского Университета. Психология»

Журнал «Психологическая наука и образование»

Журнал «Психология обучения»

Журнал «Вестник психосоциальной и коррекционно-реабилитационной работы»

Журнал «Дошкольное воспитание»

Введение

Вода – самое удивительное и самое распространённое природное соединение – источник жизни и условие её формирования на Земле. Ограниченность водных ресурсов создаёт исключительно сложные проблемы для человечества.

Вся практическая деятельность человека с самой глубокой древности связана
с использованием воды и водных растворов.

В течение последних полутора-двух столетий учёные достигли значительных успехов в изучении строения и свойств воды, по существу, предопределяющих структуру и облик окружающего нас биологического мира. Вода оказалась весьма неординарной жидкостью, трудно поддающейся не только непосредственным экспериментальным исследованиям, но и моделированию.

Многие хорошо знакомые свойства воды исключительны в природе. И поэтому вода занимает особое положение по сравнению с другими веществами, известными
на Земле. Чем глубже учёные постигали природу воды, тем больше убеждались
в оригинальности её поведения, в неочевидности её свойств, в новых, ещё не до конца раскрытых её структурных особенностях.

Во все времена естествоиспытатели не обходили своим вниманием воду, пытаясь постичь секрет её удивительных свойств. И каждый раз отступали, признаваясь в своём бессилии.

Вода, можно сказать, – самая популярная и самая загадочная жидкость из всех существующих на Земле. Её издавна воспевали, поэты посвятили ей удивительные строки. А учёные по сей день, как и сотни лет назад, не могут дать точного ответа на, казалось бы, несложный вопрос: что такое вода?

1. Вода в природе

Вода – самое распространенное вещество, на Земле она распределена неравномерно.

Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой – это океаны, моря, озёра, ледники. Количество воды на поверхности воды оценивается в 1,39 . 10 21 кг. В довольно больших количествах вода находится в морях и океанах (1,34 . 10 21 кг). Общие запасы свободной воды на земле составляют 1,4 млрд. км 3 . В совокупности жидкая водная оболочка Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой.

Самым вместительным хранилищем воды являются недра Земли. В коре Земли воды столько же, сколько и в Мировом океане, а в мантии в 10-12 раз больше.

Основное количество воды содержится в океанах (около 97,6%). В виде льда
на нашей планете воды имеется 2,14%. Вода рек и озёр составляет всего лишь 0,29%
и атмосферная вода – 0,0005%.

Природная вода всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества, а также микроорганизмы. Состав примесей зависит от происхождения воды. По минерализации различают следующие виды воды: атмосферные осадки (10-20 мг/кг), ультрапресные (до 200 мг/кг), пресные (200-500 мг/кг), слабоминерализованные
(0,5-1,0 г/кг), солоноватые (1-3 г/кг), с повышенной солёностью (10-35 г/кг), переходные к рассолам (35-50 г/кг), рассолы (более 50 мг/кг); максимальные концентрации солей содержат воды соляных озёр (до 300 г/кг) и глубокозалегающие подземные воды
(до 600 г/кг). В пресных водах преобладают ионы Ca 2+ , Mg 2+ , CI - , Na + , K + .
К микрокомпонентам природной воды относятся B, Li, Rb, Cu, Zn, Al, Be, W, U, Br, I
и др. Из растворённых газов в природных водах присутствуют N 2 , O 2 , CO 2 , благородные газы и углеводороды. Концентрация органических веществ в воде рек около 20 мг/кг,
в водах океана – около 4 мг/кг, причём их состав чрезвычайно разнообразен.

2. Биологическая роль воды

Биологическая роль воды обусловлена её уникальной химической структурой.
В водной среде возникла жизнь. Недостаток воды вызывает нарушение жизнедеятельности всех организмов, а её длительное отсутствие могут переносить лишь покоящиеся формы жизни (споры, семена растений). В большинстве случаев вода является неотъемлемым компонентом живых организмов. Функции воды многообразны: она служит растворителем для различных соединений, средой для реакций обмена веществ, определяет объём клеток и внеклеточных жидкостей, обеспечивает транспорт веществ в организме, участвует в терморегуляции. Содержание воды в разных организмах различается: например, у водорослей на долю воды приходится 90-98%,
в листьях наземных растений – 75-86%, в семенах злаков – 12-14%, у мхов и лишайников – 5-7%, у кишечнополостных – 95-98%, у насекомых – 45-65%, у млекопитающих –
60-70%. Неодинаково оно и в различных органах и тканях: самая богатая водой ткань
в теле человека – стекловидное тело глаза, содержащее 99% воды. Самая же бедная – эмаль зуба. В ней воды всего лишь 0,2%.

Вода также образуется в организме вследствие окисления жиров, углеводов
и белков, принятых с пищей. Такую воду называют метаболической. В медицине
и биологической науке метаболизмом называют процессы превращения веществ
и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов. Белки жиры и углеводы окисляются в организме с образованием воды (H 2 O) и углекислого газа (диоксида углерода CO 2): при окислении 100 г жира образуется 107 г воды, а при окислении 100 г углеводов – 55,5 г воды. Некоторые организмы обходятся лишь метаболической водой
и не потребляют ее извне.

Общий объём воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2–2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды и выводится
из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50-60% воды.

При потере организмом человека 6-8% влаги повышается температура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость
и головокружение, начинается головная боль. Потеря 10% воды может привести
к необратимым изменениям в организме, а потеря 15-20% приводит к смерти, поскольку кровь настолько густеет, что с её перекачкой не справляется сердце.

Поэтому вода так важна для человека и живых организмов в целом.

3. Строение молекулы воды

Вода (оксид водорода, химическая формула H 2 O), простейшее химическое соединение. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Связи между тремя атомами очень прочные. Молекулярная масса воды 18,016.

Оба элемента – водород и кислород – заметно выделяются из всех химических элементов, представленных в периодической системе Менделеева.

Водород как «горючий воздух» был известен ещё в 16 веке. За способность, сгорая, производить воду, «горючий воздух» впоследствии переименовали в «гидрогениум», т.е. рождающий воду.

Молекула воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (H 2 O). Схематично строение молекулы воды можно изобразить так:

Молекула воды является так называемой полярной молекулой, потому что ее положительный и отрицательный заряды не распределены равномерно вокруг какого-то центра, а размещены асимметрично, образуя положительный и отрицательный полюсы. Рисунок показывает в чрезвычайно упрощенном виде, как присоединены два атома водорода к одному атому кислорода, образуя молекулу воды.

Угол, отмеченный на рисунке, и расстояние между атомами зависят от агрегатного состояния воды (подразумеваются равновесные параметры, т.к. имеют место постоянные колебания). Так, в парообразном состоянии угол равен 104°40", расстояние O-H – 0,096 нм; во льду угол – 109°30", расстояние O-H – 0,099 нм. Различие параметров молекулы
в парообразном (свободном) состоянии и во льду вызвано влиянием соседних молекул. Также влиянию подвержены и молекулы в жидкой фазе, в которой помимо влияния соседних молекул воды существует сильное влияние растворенных ионов других веществ.

История определения состава молекулы воды

Начиная с истоков химии, учёные в продолжение довольно большого периода времени считали воду простым веществом, так как она не могла быть разложена в результате тех реакций, которые были известны в то время. Кроме того, постоянство свойств воды как бы подтверждало это положение.

Весной 1783 г., Кавендиш в своей кембриджской лаборатории работал с недавно открытым "жизненным воздухом" - так в то время называли кислород, и "горючим воздухом" (так называли водород). Он смешивал один объем "жизненного воздуха"
с двумя объемами "горючего воздуха" и пропускал через смесь электрический разряд. Смесь вспыхивала, и стенки колбы покрывались капельками жидкости. Исследуя жидкость, ученый пришел к выводу, что это чистая вода. Ранее подобное явление описал французский химик Пьер Макер: он ввел в пламя "горючего воздуха" фарфоровое блюдце, на котором образовались капельки жидкости. Каково же было удивление Макера, когда он исследовал образовавшуюся жидкость, и обнаружил что это вода. Получался какой-то парадокс: вода, гасящая огонь, сама образуется при горении. Как мы теперь понимаем, происходил синтез воды из кислорода и водорода:

H 2 + O 2 → 2H 2 O + 136,74 ккал.

В обычных условиях эта реакция не идет, и чтобы водород стал активен, нужно повысить температуру смеси, например с помощью электрической искры, как в опытах Кавендиша. Генри Кавендиш располагал достаточными данными, чтобы установить,
в каких пропорциях входит кислород и водород в состав воды. Но он этого не сделал. Возможно, ему помешала глубокая вера в теорию флогистона, в рамках которой он пытался интерпретировать свои эксперименты.

Весть об опытах Кавендиша достигла Парижа в июне того же года. Лавуазье сразу же повторил эти опыты, затем провел целую серию подобных экспериментов и через несколько месяцев 12 ноября 1783 г. в день святого Мартина доложил результаты исследований на традиционном собрании Французской академии наук. Любопытно название его доклада, характерное для всей той несуетливой педантичной эпохи великих открытий естествознания: "О природе воды и экспериментах, по-видимому, подтверждающих, что это вещество не является, строго говоря, элементом, а может быть разложено и образовано вновь". Доклад был встречен горячими возражениями – данные Лавуазье явно противоречили уважаемой и популярной в то время теории флогистона. Лавуазье сделал правильный вывод, что вода образуется при соединении "горючего газа" с кислородом и содержит (по массе) 15% первого и 85% второго (современные данные – 11,19% и 88,81%).

Через два года Лавуазье вновь вернулся к опытам с водой. Академия наук поставила перед Лавуазье практическую задачу – найти дешевый способ получения водорода как самого легкого газа для нужд нарождающегося воздухоплавания. Лавуазье привлек к работе военного инженера, математика и химика Жана Мёнье. В качестве исходного вещества они выбрали воду – вряд ли можно было отыскать сырье дешевле. Зная, что вода – это соединение водорода с кислородом, они пытались найти способ отнять от нее кислород. Для этой цели годились различные восстановители, наиболее же доступным было металлическое железо. Из реторты-кипятильника водяные пары поступали в раскаленный докрасна на жаровне ружейный ствол с железными опилками. При температуре красного каления (800 °С) железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород:

3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

Образовавшийся при этом водород собирался, а не прореагировавшие водяные пары конденсировались в холодильнике и отделялись в виде конденсата от водорода. Из каждых 100 гран воды получалось 15 гран водорода и 85 гран кислорода (1 гран = 62,2 мг). Эта работа имела и важное теоретическое значение. Она подтвердила ранее сделанные выводы (из опыта по сжиганию водорода в кислороде под колоколом), что вода содержит 15% водорода и 85% кислорода (современные данные – 11,19% и 88,81%).

Исходя из того, что "горючий воздух" участвует в образовании воды, французский химик Гитон де Морво в 1787 г. предложил назвать его hydrogene (от слов гидро – вода и геннао – рождаю). Русское слово "водород", т.е. "рождающий воду", является точным переводом латинского названия.

Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. В 1842 г. Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водород и кислорода в воде как 2:16.

Однако в силу того что с атомными массами элементов в первой половине XIX века было много неразберихи и эта обстановка еще больше осложнилась в связи с введением понятия "эквивалентный вес", то долгое время формула воды записывалась в самых различных вариантах: то как HO, то как H 2 O и даже H 2 O 2 . Об этом писал Д.И. Менделеев: "В 50-х годах одни принимали O=8, другие O=16, если H=1. Вода для первых была HO, перекись водорода HO 2 , для вторых, как ныне, вода H 2 O, перекись водорода H 2 O 2 или HO. Смута, сбивчивость господствовали...".

После Международного конгресса химиков в Карлсруэ, состоявшегося в 1860 году, удалось внести ясность в некоторые вопросы, сыгравшие заметную роль в дальнейшем развитии атомно-молекулярной теории, а, следовательно, и в правильном толковании атомарного состава воды. Была установлена единая химическая символика.

Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и объемными методами, в конце концов, убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H 2 O.

Как уже известно, молекула воды довольно "однобока" - оба атома водорода примыкают к кислороду с одной стороны. Интересно, что эта чрезвычайно важная особенность молекулы воды была установлена чисто умозрительно задолго до эпохи спектроскопических исследований английским профессором Д. Берналом. Он исходил из того, что вода обладает весьма сильным электрическим моментом (в то время, в 1932 г., это было известно). Проще всего, конечно, молекулу воды "сконструировать", расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. H–O–H. "Однако, – пишет Бернал, – водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральной, не обладала бы определенной направленностью… электрический момент может быть только, если оба атома водорода примыкают к кислороду с одной и той же стороны".

Водород – единственный элемент, не имеющий полностью заполненной электронной оболочки – 1s 1 . Из-за исключительной простоты его строения (один протон и один электрон) ему присущи совершенно особые свойства. Между молекулами, образованными водородом с другими элементами, возникают единственные в своём роде водородные связи, сила взаимного притяжения которых по величине совершенно несравнима с взаимодействием всех прочих молекул.

В настоящее время известно 5 изотопов атома водорода с атомными массами
1 (протий), 2 (дейтерий), 3 (тритий), 4 и 5 (названия пока не даны). Наиболее распространённое соединение водорода – вода, в основе которой находится протий.

Недавно обнаружены изотопы водорода с атомными массами 4 и 5, но физические и химические свойства обоих изотопов пока не изучены. Известно только, что время их существования ничтожно мало.

Кислород открыт в 1774 г. английским химиком Джозеф Пристли. Он занимает восьмое место в периодической системе Менделеева. Его внутренняя электронная оболочка укомплектована полностью (два электрона), на внешней имеется 6 электронов – 1s 2 2s 2 2p 4 . Кислород – элемент с резко выраженными электроположительными свойствами. Он атакует все атомы, отдающие электроны (к каковым, прежде всего, относится водород),
и представляет собой один из наиболее агрессивных элементов в природе.

Известно 3 изотопа кислорода с атомными массами 16, 17 и 18. Но никаких данных о физико-химических свойствах изотопов 17 О и 18 О нет, наукой они не изучены.

При нормальных условиях вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Атомы H и O в молекуле воды расположены в вершинах равнобедренного треугольника с длиной связи O-H 0,0957 нм: угол H-O-H = 104,5 о.

Вода существует в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Молекулы воды взаимодействуют друг с другом и с полярными молекулами других веществ (атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами O, N, F, CI, S и др.).

Каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи: две – как донор протонов, две – как акцептор. Средняя длина таких связей около 0,28 нм.

Трёхмерная сетка водородных связей сохраняется в жидкой воде. Установлено объединение молекул воды в обширные кластеры (130 молекул H 2 O при 0 о С, 90 – при
20 о С, 60 – при 72 о С, время жизни 10 -11 - 10 -10 с)

Изотопный состав. Существует 9 разновидностей молекул воды, включающих только стабильные изотопы. Их содержание в природной воде в среднем составляет (моль, %): 1 H 2 16 O – 99,73; 1 H 2 18 O – 0,2; 1 H 2 17 O – 0,04; 1 H 2 H 16 O - 0,03; остальные присутствуют в ничтожных количествах.

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды: лёгкая вода (просто вода), тяжёлая вода (дейтериевая), сверхтяжёлая вода (тритиевая). Исследователи раскрывают всё более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Изучение структуры жидкой воды ещё не закончено; оно даёт всё новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире.

4. Свойства воды

4.1. Химические свойства воды

Вода является наиболее распространённым растворителем на земле, во многом определяющим характер химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.

Воду иногда рассматривают, как кислоту и основание одновременно (катион H + анион OH -). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода. Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные молекулы образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично.

Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных соединений. Благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Нет такого вещества, следы которого нельзя было бы обнаружить в воде. Обычно растворимость возрастает с увеличением температуры. Растворимость в воде малополярных веществ (газов) сравнительно мала. С ростом давления и при понижении температуры растворимость газов возрастает. Между растворёнными в воде ионами, атомами, молекулами, не вступающими с ней в химические реакции, и молекулами воды существуют межмолекулярные взаимодействия.

Вследствие высокой растворяющей способности воды, получить её в чистом виде трудно. Для научных исследований, в медицине и пр. применяют дистиллированную воду; абсолютно чистую воду синтезируют из H 2 и O 2 .

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению: H 2 O = H + + OH - . Степень диссоциации воды возрастает при повышении температуры. Диссоциация воды – причина гидролиза солей слабых кислот и оснований. Концентрация ионов H + – важная характеристика водных растворов.

Вода окисляется кислородом до H 2 O 2 . При взаимодействии воды с F 2 образуются HF и другие соединения. С остальными галогенами при низких температурах вода образует смеси кислот (например, HCI и HCIO). При пропускании паров воды через раскалённый уголь разлагается на водяной газ (CO и H 2). При повышенной температуре в присутствии катализатора реагирует с CO и углеводородами с образованием H 2 ; вода взаимодействует с наиболее активными металлами с образованием H 2 и соответствующего гидроксида. При взаимодействии воды со многими оксидами образуются кислоты или основания. С солями образует кристаллогидраты, со многими газами при низких температурах (инертные газы, углеводороды) – соединения включения, газовые гидраты. Присоединение воды к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов, альдегидов и кетонов.

4.2. Физические свойства воды

Вода обладает рядом аномальных физических свойств.

· Вода – единственное вещество на Земле, способное существовать одновременно
в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

· При таянии льда его плотность уменьшается, при замерзании вода расширяется. Другие вещества при замерзании наоборот уменьшаются.

· Высокая температура и удельная теплота плавления 0 °C и 333,55 кДж/кг, температура кипения 100 °C и удельная теплота парообразования 2250 кДж/кг.

· Вода обладает высокой теплоёмкостью. Теплоёмкость воды в 10 раз больше теплоёмкости стали и в 30 раз больше теплоёмкости ртути.

· Вода обладает низкой вязкостью.

· Вода имеет высокое поверхностное натяжение. Ни одно вещество не имеет такого сильного поверхностного натяжения.

· Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти аномальные особенности воды связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Определенную роль играет протонное обменное взаимодействие между молекулами и внутри молекул воды.

При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4 °C этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость.

Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода,
а отрицательно заряженные – атомы водорода. Поскольку молекула воды мала
по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па), вода (лёд) тает (плавится) при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния и кипения воды при создании температурной шкалы "по Цельсию"). При снижении давления температура таяния (плавления) воды медленно растёт,
а температура кипения падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода
не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара
в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды – падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм.) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Вода сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Она так и называется: подгруппа кислорода.

Входящие в нее кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.

Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода – легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды – гидрида кислорода.

Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.

Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.

Температуры кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы графически представлены на рис. 1.7. У самого тяжелого из гидридов H 2 Te они отрицательны: выше 0°С это соединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким (H 2 Se, H 2 S) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70°С и замерзать при -90°C. В таком случае в земных условиях она никогда
не могла бы существовать ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъем – температура кипения воды +100°С, замерзания – 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности – широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты. Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую
до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).

Кипение заключается в том, что пузыри пара образуются внутри кипящей жидкости. При нормальном давлении чистая вода кипит при 100 "С. В случае подведения тепла через свободную поверхность будет ускоряться процесс поверхностного испарения, но объёмного парообразования, характерного для кипения, не возникает. Кипение может быть осуществлено и понижением внешнего давления, так как в этом случае давление пара, равное внешнему давлению, достигается при более низкой температуре. На вершине очень высокой горы давление и соответственно точка кипения настолько понижаются, что вода становится непригодной для варки пищи - не достигается требуемая температуры воды. При достаточно высоком давлении воду можно нагреть настолько, что в ней может расплавиться свинец (327 °С), и все же она не будет кипеть.

Помимо сверхбольших температур кипения плавления (причем последний процесс требует слишком большой для такой простой жидкости теплоты плавления), аномален сам диапазон существования воды - сто градусов, на которые разнятся эти температуры, - довольно большой диапазон для такой низкомолекулярной жидкости, как вода. Необычайно велики пределы допустимых значении переохлаждения и перегрева воды - при аккуратном нагревании или охлаждении вода остается жидкой от -40 °C до +200 °C. Тем самым температурный диапазон, в котором вода может оставаться жидкой, расширяется до 240 °C.

Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.

При плавлении льда немало энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и вшестеро меньше, чем при испарении воды. Молекулы Н 2 O фактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды.

Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80°С (от 20 до 100°С).

При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает
в окружающую среду, при таянии льда поглощается. Поэтому ледяные массы,
в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.

Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют
в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах – градирнях.

На многих металлургических производствах Донбасса в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования – эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100°C. А вот пример совсем из другой области человеческой деятельности – сельского хозяйства, садоводства. Когда поздней весной внезапные ночные заморозки угрожают цветущим плодовым деревьям, опытные садоводы находят выход, кажущийся совершенно неожиданным: они проводят дождевание сада. Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Капельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ледяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды).

Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью – высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.

Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.

Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.

Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость – кристалл», то есть «вода – лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100°С вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2...0,3 нм. Температурные границы переходов – 0, 15, 30, 45, 60 и 100°С.

Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30...45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23...25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5...10°С).

Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на -20°С.

Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.

Углублённое изучение физического смысла и направлений практического применения данного явления еще ждут своих исследователей. Но уже и теперь ясно, что эти открытия представляют очень интересный и ценный познавательный материал.

Теплоемкость воды. Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1°, достаточно, чтобы нагреть на 1° 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Теплоемкость воды (1 кал), кстати, в 2 раза больше теплоемкости льда (0,5 кал), а для всех других веществ плавление почти не сказывается на этой величине.

Почему в случае воды эта величина демонстрирует столь большое значение? Удельная теплоемкость – это количество тепла, которое надо сообщить одному грамму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус Цельсия. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H 2 O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H 2 O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. И во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H 2 O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

5. Память воды

5.1. Вода, которую мы не знали

Молекула воды – кристалл (структурированный).

Наука физика учит: вода не образует долгоживущих структур (если только в дело не вмешивается постороннее вещество). Конечно, существует водородная связь, за счёт которой молекулы воды могут соединяться в цепочки, но такие образования живут ничтожно малое время – 10 -16 секунд. В теории это означает, что невозможно структурировать воду.

Однако вот уже несколько лет исследователи изучают способность воды организовывать долгоживущие структуры.

В 2003 году была защищена диссертация на тему памяти воды. Автор – Станислав Зенин. С.В. Зениным на основании данных, полученных тремя физико-химическими методами, построена и доказана геометрическая модель основного стабильного структурного образования из молекул воды (структурированная вода), а затем получено изображение этих структур с помощью контрастно-фазового микроскопа. Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клартатов – устойчивых (со сроком жизни до нескольких часов) соединений из 912 молекул воды размером от полумикрона до микрона.

В дистиллированной воде клартаты практически электронейтральны. Однако их электропроводность можно изменить. Если помешать магнитной мешалкой, связи между элементами клартатов будут разрушены и вода превратится в мёртвое, неупорядоченное месиво. Если поместить в воду предельно малое количество другого вещества (хоть одну молекулу) клартаты начнут «перенимать» его электромагнитные свойства.

В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. Они как губка впитывают в себя всю информацию, которая происходит в окружающем пространстве. Зенин дал определение воды как вещества в информационно-фазовом состоянии, обладающего структурной, пригодной для хранения данных, биологического накопителя информации. При этом он выделил два типа «памяти» воды – первичную и долговременную. Первичная память воды появляется после однократного воздействия и представляет обратимое изменение её структуры и отображение на поверхности клартатов нового электромагнитного рисунка. Долговременная память воды – полное преобразование структуры элемента, вследствие длительного информационного воздействия. То есть, чтобы сформировать определённую структуру воды, достаточно в течение определённого времени передавать воде определённую эмоцию.

Чем выше в воде содержание кластеров, чем более упорядоченная её структура, тем более она способна сама себя воспроизводить, что и наблюдается в живых системах. Это свидетельствует о том, что вода организма человека может выполнять системообразующую роль, с одной стороны, и регуляторную роль – с другой. В этом отношении интересной является концепция двухкомпонентной системы восстановления повреждённых тканей, где алгоритм восстановления реализуется на уровне структурированной воды.

Автор флуктуационного метода очистки воды Ф.Р.Черников также считает, что вода хранит информацию вследствие того, что в структурно-динамических параметрах водной среды (обладающих специфической биологической активностью) остаётся информация о предшествующих воздействиях, включая воздействия самих водоочистительных процессов. Очищенной водой может считаться вода с высоким уровнем структурно-динамических параметров (по типу «талой воды»).

5.2. Роль воды, входящей в состав биологических жидкостей

Роль воды, входящей в состав биологических жидкостей (кровь, лимфа и др.), ещё мало освещена в современной литературе, но её значение, как информационного фактора, чрезвычайно велико и требует дальнейшего осмысления.

Последовательность процесса структурирования биогенной воды была предложена К.М.Резниковым в 2001 году. Эти данные раскрывают процессы передачи информации
в живых системах и возможности использования их в лечебных и диагностических целях. При этом понятие «информация» рассматривается как мера организованности движения (взаимодействия и перемещения) частиц в системе.

Если под влиянием какого-либо внешнего фактора (микроорганизм, токсин, электромагнитное излучение и др.) меняются информационные свойства воды,
то изменяются и структурно-функциональные компоненты клеток, тканей и органов.
По мнению автора предложенной модели К.М.Резникова изменения информационных возможностей структурированной воды могут быть наиболее ранними признаками возможности возникновения патологических явлений.

5.3 Исследования Масару Эмото

Доказательства информационных свойств воды показывает японский исследователь Масару Эмото. Он установил, что никакие два образца воды не образуют полностью одинаковых кристаллов при замерзании, и что их форма отражает свойства воды, несёт информацию о воздействии, оказанном на воду. Микрокристаллы изучают по фотографиям. Сначала капельки воды, помещённые в чашки Петри, резко охлаждают в течение двух часов, а затем помещают в специальный прибор – холодильную камеру, совмещённую с микроскопом и фотоаппаратом – где при температуре минус пять градусов рассматривают получившиеся кристаллы и снимают наиболее характерные. При этом изучаются образцы из различных водных источников мира, также вода, подвергнутая различным видам воздействия (музыка, изображение, излучение телевизора, мысли одного человека и группы людей). Доктор Эмото обнаружил,
что имеется существенная разница между кристаллами воды, прослушавшей «пастораль» Бетховена и песню в стиле «хеви-металл», между образцами, которые говорили «спасибо» и «меня от тебя тошнит», а слова «ангел» и «дьявол» образуют структуры, одновременно похожие и совершенно противоположные.

Кристаллы, образовавшиеся из только что полученной дистиллированной воды, имеют простую форму хорошо известных шестиугольных снежинок. Накопление информации меняет их строение, усложняя, повышая их красоту, если информация положительная. Или, напротив, искажая или даже нарушая первоначальные формы, если информация негативная.

Воду превращают в структурную с помощью особых аквадисков, нанотехнологиями, ультразвуком и даже музыкой. В православной церкви воду освящают, делая ее «святой». Список подобного рода попыток превратить обычную воду в «чудотворную» очень внушителен. Немецкая компания «Энерджетикс», производящая оборудование для популярной в альтернативной медицине магнитной терапии, начала недавно выпуск магнитов, которые при помещении в стакан воды «структурируют» обычную воду и делают её более полезной.

5.4. Перспективы использования структурированной воды

Безусловно, и доктора Эмото можно причислить к фантазёрам, которые используют сложную технику не по назначению. Японский учёный считает, что в основе всего сущего лежит единая вибрационная частота, волна резонанса (в его терминологии – ХАДО), и эта волна способна переносить эмоции людей на все окружающие их предметы. Поэтому, считает Эмото, надо благодарить еду, которую ешь, пресекать отрицательные эмоции и чаще молиться. Такие выводы способны лишь насмешить серьёзную научную общественность. Но соотечественники учёного демонстрируют утилитарный интерес к его работе: одни разработчики ищут способы преобразовывать процессы, происходящие в воде под воздействием электромагнитного излучения человеческого мозга, в понятные компьютеру сигналы. То есть подумывают об ЭВМ, которой можно управлять силой мысли. Другие хотят научить воду хранить двоичный код. Третьи интересуются, можно ли менять физико-химические параметры воды для специальных целей (например, делать её более вязкой, чтобы с меньшими энергозатратами охлаждать атомные реакторы.).

Такое положение вещей может однажды привести к тому, что как раз в тот момент, когда теоретическая наука перестанет сомневаться в праве воды на память, учёные создадут «водяные» компьютеры на телепатическом управлении.

Информационные свойства воды могут также широко использоваться в медицине. Так как вода может передавать информацию в живых организмах, её можно использовать в лечебных и диагностических целях.

При помощи структурированной воды можно выращивать высококачественные продукты и многое другое.

Заключение

Итак, вода не просто H 2 O. Она – смесь различного сочетания изотопов водорода
с изотопами кислорода. Число возможных сочетаний довольно велико – 42, из них более или менее изучены 2, остаётся ещё 40. И даже при самом смелом полёте фантазии невозможно предсказать, какие самые неожиданные свойства раскроет нам та или иная модификация воды.

Ясно, что по мере познания структуры воды, применяя всё более совершенные методы теоретического анализа, используя ЭВМ, учёные смогут предсказать если и не все, то весьма многие свойства этих оставшихся 40 сочетаний.

Одной или нескольким разновидностям воды, которые будут открыты в будущем, предстоит сыграть решающую роль в раскрытии таких биологических проблем как наследственность, деятельность мозга, излечение от недугов, долголетие...

Следует заметить, что за последние годы знания о структуре и свойствах воды и её растворах значительно обогатились благодаря использованию новейших поколений счётно-решающих систем и компьютерной техники.

Сейчас особенно отчётливо видно, каким трудным и сложным объектом для исследователей оказалась вода.

Исследование воды, важнейшего природного соединения, заметно продвинулось вперёд благодаря усилиям химиков, физиков, биологов, геологов, медиков и других специалистов. Удалось собрать интереснейшую информацию о её составе, свойствах, структуре, учёные приоткрыли занавес и даже заглянули в мир атомов и молекул, которые формируют необычную ажурную структуру воды.

Многое известно о воде, но ещё больше предстоит узнать. В 1934 году академик
Н.Д. Зелинский писал: «если в столь простом веществе, как вода, наукой не всё было открыто, то как много ещё остаётся неясного и точно неисследованного во всём окружающем нас материальном мире, в эволюционном процессе которого появился
и человек». Эти слова Н.Д. Зелинского и сейчас не потеряли своей актуальности.
Их современность и программная целенаправленность неоспоримы. Пусть они станут путеводной звездой для тех, кто только делает первые шаги на благодатной
и неисчерпаемой ниве научных поисков, кто пытается раскрыть сложное сплетение природных явлений и понять облик окружающего нас мира, физическая и биологическая структура которого во многом предопределена необычным строением воды.

План лекции:

1. Физиологическое, эпидемиологическое и санитарно-гигиеническое значение воды.

2. Органолептические свойства воды. Химический состав. Заболевания, обусловленные необычным минеральным составом природных вод. Влияние загрязнения воды на здоровье человека. Инфекционные заболевания и гельминтозы, передаваемые водным путем. Условия и сроки выживания патогенных микроорганизмов в воде. Особенности водных эпидемий.

3. Виды источников водоснабжения и их санитарно - гигиеническая характеристика. Причины загрязнения. Охрана источников водоснабжения. Гигиеническая характеристика систем хозяйственно - питьевого водоснабжения.

4. Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды.

5. Гигиенические требования к нецентрализованному (местному) водоснабжению.

6. Методы улучшения качества питьевой воды.

Вода является одним из объектов окружающей среды, она необходима для жизни человека, растений и животных. Без пищи человек может прожить более месяца, а без воды — лишь несколько дней.

Физиологическое значение воды определяется тем, что она входит в состав всех биологических тканей организма человека и составляет примерно 60... 70 % массы тела. В костях содержится 22 % воды, в жировой ткани — 30, в печени — 70, в мышце сердца — 79, в почках — 83, в стекловидном теле — 99 %. Вода — универсальный растворитель. Она является основой кислотно-щелочного равновесия, участвует во всех химических реакциях в организме, составляет основу крови, секретов и экскретов организма.

Важной функцией воды является транспорт в организм многих макро- и микроэлементов и других питательных веществ. Одновременно вода участвует в выведении шлаков и токсичных веществ с потом, слюной, мочой и калом. Велика роль воды и в терморегуляции организма. При испарении пота человек теряет около 30 % тепловой энергии.

Вода имеет важнейшее гигиеническое значение , и ее качество рассматривается как ведущий показатель санитарного благополучия населения. Доброкачественная вода необходима для поддержания чистоты тела и закаливания, уборки жилища, приготовления пищи и мытья посуды, стирки белья, поливки улиц и зеленых насаждений.

При среднем расходе воды для питьевых и хозяйственно-бытовых нужд без учета промышленного потребления, равном 272 л на одного жителя России в сутки, в Москве этот показатель составляет 539 л, в Челябинской области — 369, Саратовской — 367, Новосибирской — 364, Магаданской — 359 и в Камчатской области — 353 л. В то же время население ряда городов и районов республик Калмыкии, Мордовии, Марий-Эл, а также Оренбургской, Астраханской, Ярославской, Волгоградской, Курганской, Кемеровской областей испытывает постоянный дефицит питьевой воды.

Значение воды состоит и в том, что она является ценным технологическим сырьем. Для получения 1 т резины или алюминия требуется 1500 м3 воды. Столько же требуется для выращивания 1 т пшеницы, а для выращивания 1 т риса — 4000 м3. При выплавке 1 т стали расходуется около 150 м3 воды, на производство 1 т мяса — 20000 м3.

Оздоровительное значение воды состоит в использовании ее для купания, закаливания, занятий спортом. Хороший эффект дают физиотерапевтические водные процедуры и питье минеральных вод. Велико также эстетическое значение воды и ее роль в воздействии на эмоциональное состояние человека.

В населенных местах могут, применятся различные системы обеспечения водой. При централизованном водоснабжении по водопроводу вода подается всему населенному пункту или части его. В ряде населенных мест, чаще всего сельского типа, водоснабжение осуществляется путем непосредственного забора воды из источника (колодец, родник). Такое водоснабжение называется местным или децентрализованным.

Эпидемиологическое значение воды связано с тем, что вода является фактором передачи многих заболеваний. Водный путь передачи характерен для многих инфекционных заболеваний: холеры , брюшного тифа , паратифов , амебной и бактериальной дизентерии, амебиаза , энтеровирусных заболеваний, инфекционного гепатита А, лептоспироза, туляремии, лямблиоза, балантидиаза, гельминтозов, некоторых энтеро-, рота- и аденовирусных заболеваний и др.

Ежегодно в Российской Федерации регистрируется более 100 вспышек дизентерии , брюшного тифа и вирусного гепатита А. В последние годы количество инфекционных заболеваний, связанных с воздействием загрязненной воды, снизилось. Однако в регионах, где микробное загрязнение воды поверхностных водоисточников особенно велико, заболеваемость населения дизентерией и острыми кишечными инфекциями значительно выше, чем в среднем по стране.

Хотя роль воды в распространении инфекционных заболеваний известна давно, первое достоверное описание водной эпидемии было сделано лишь во время эпидемии холеры в Лондоне в 1854 г. Холера относится к особо опасным инфекциям, это кишечное заболевание водного пути передачи инфекции. За два века было зарегистрировано шесть пандемий классической холеры.

Кроме того, нитраты обладают также мутагенным и эмбрио-токсическим эффектами и могут преобразовываться в канцерогенные соединения — нитрозамины — непосредственно в организме человека.

Нитрозамины оказывают как политропное, так и выраженное органотропное действие, но у большинства из них отмечается гепатотоксичность и гепатоканцерогенность, некоторые обладают и мутагенными свойствами. Также нитраты вызывают снижение резистентности организма к действию других канцерогенных и мутагенных факторов.

В воде могут обнаруживаться повышенные концентрации металлов. Вода с повышенным содержанием железа имеет неприятный «железистый» привкус и запах, желтоватый цвет. Она не подходит для стирки, так как на белье остаются желтые пятна. Присутствие в питьевой воде железа природного происхождения (часто вместе с марганцем) наиболее характерно для подземных вод, широко используемых в южной и центральной частях России, а также в Сибирском регионе.

Кроме того, повышенные концентрации железа имеют место при использовании стальных и чугунных водопроводных труб в результате их коррозии. В частности, от этого страдает население Санкт-Петербурга и др. населенных мест.

В природных водах помимо макроэлементов присутствуют и микроэлементы: фтор, йод, молибден, бериллий, селен, стронций и др. Избыточное или недостаточное поступление микроэлементов в организм человека вызывает физиологические сдвиги или патологические изменения, развиваются биогеохимические эндемические заболевания.

В России более 90 % населения не получает в необходимом количестве фтор . Особенно характерен недостаток этого элемента для поверхностных источников питьевого водоснабжения на территориях Архангельской, Ленинградской областей, Краснодарского края, Республики Коми и Кабардино-Балкарской Республики. В Кабардино-Балкарской Республике дефицит фтора в воде является фактором повышенной заболеваемости кариесом зубов у 60 % населения.

При избытке фтора в подземных питьевых водах проявляется другое заболевание — флюороз . Это заболевание в столице Республики Мордовия г. Саранске наблюдается у 72 % детей школьного возраста. Повышенное содержание фтора в питьевой воде характерно также для территорий Рязанской и Вологодской областей.

Для водоснабжения населенных мест используются: подземные и поверхностные водоисточники.

Подземные водоисточники.

Подземная вода скапливается в порах суглинков и песков, в трещинах известковых пород. Ниже таких пластов обычно залегают водонепроницаемые породы, например плотные глины. Подземные воды делятся на почвенные, грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды, или верховодка , образуются за счет просачивания в грунт атмосферных осадков, они лежат у самой поверхности земли. Они не могут служить источником водоснабжения, т.как сильно загрязнены.

Грунтовые воды располагаются в первом от поверхности водоносом горизонте, под которым лежит водонепроницаемый слой. Грунтовые воды образуются за счет фильтрации атмосферных осадков и используются для водоснабжения, чаще всего в сельской местности. Эти воды недостаточно надежны в санитарном отношении, поэтому нуждаются в обеззараживании.

Межпластовые воды находятся в водоносном горизонте, залегающем между двумя водонепроницаемыми пластами. Нижний называется ложем, а верхний - кровлей. Питание межпластового водоносного горизонта происходит лишь в местах выхода его на поверхность.

При наклонном положении межпластовые горизонты становятся напорными. Такие межпластовые напорные воды называются артезианскими . Глубина межпластовых вод от нескольких десятков до нескольких сотен метров, имеют стабильный минеральный состав, бесцветны, используются для водоснабжения без очистки и обеззараживания.

В пониженных частях рельефа водоносные горизонты иногда выходят на поверхность земли и здесь образуются естественные выходы подземных вод - родники (нисходящие или восходящие).

Открытые водоемы.

Все открытые водоемы загрязняются при стекании атмосферных осадков, талых вод, при спуске сточных вод. Органолептические свойства и химический состав воды открытых водоемов зависят от многих условий. Поверхностные воды обычно мало минерализованы, качество воды не постоянно и зависит от сезона года и погоды.

В основном качество воды постоянно за счет процессов самоочищения:

1. Разбавление стоков.

2. Осаждения взвешенных частиц.

3. Минерализации органических веществ, за счет микроорганизмов и растворенного кислорода.

Однако сильное загрязнение может привести к развитию гнилостных процессов, в результате содержания растворенного кислорода снижается и происходит активное размножение анаэробных микроорганизмов. В этом случае водоем становится непригодным не только для водоснабжения, но и оздоровительных и хозяйственных целей.

Санитарные правила предлагают выбирать источники водоснабжения в следующем порядке:

1. Межпластовые напорные (артезианские) воды.

2. Межпластовые безнапорные артезианские воды.

3. Грунтовые воды.

4. Открытые водоемы.

Существует два вида водоснабжения: децентрализованное и централизованное. За санитарный надзор за децентрализованным водоснабжением отвечают ЦГСЭН при участии медицинского персонала сельских врачебных участков и ФАП. Для лаб. контроля воду отбираю для бактериологического и химического анализа.

Ежегодно весной обязательно следует проводить очистку шахтного колодца от загрязнений, удаляют верхний слой ила и насыпают слой крупного песка или щебня. Стенки обрабатывают 5% раствором хлорной извести.

Закончив очистку колодца и дезинфекцию сруба, выжидают. Когда колодец заполнится водой, после чего проводят дезинфекцию колодца объемным способом. Для чего в воду добавляют по 1 ведру 2% раствора хлорной извести на 1 м3 воды, перемешивают и оставляют на 6-10 часов.

Затем определяют наличие остаточного хлора по запаху. При отсутствии запаха добавляют 1/3-1/4 первоначального количества хлорной извести и выжидают еще 3-4 часа. Хлорирование проводится также после ремонта, ухудшения качества воды, при появлении инфекционных заболеваний. Для постоянного хлорирования вода в штатных колодцах используют дозирующие патроны.

Вокруг источников централизованного водоснабжения организуется зона санитарной охраны, которая состоит из 3 основных поясов:

Первый пояс - зона строгого режима, это территория, на которой находится насосная станция, водоочистительные сооружения, резервуар чистой воды, территория ограждается и охраняется.

На водопроводе с подземным источником радиус зоны от 30-50 м.

На водопроводе с поверхностным водоисточником радиус зоны вверх по течению не менее 200 м, вниз не менее 100 м.

Второй пояс - зона ограничения в этой зоне запрещается спуск неочищенных сточных вод, земляные работы.

На водопроводе с подземным водоисточником радиус зоны 250-500 м.

На водопровод с поверхностным водоисточником размеры зоны санитарной охраны определяются местными санитарными и гидрологическими условиями.

Здесь запрещается использование территории или источников водоснабжения, которое может вызвать качественное и количественное ухудшения качества воды.

Третий пояс - зона наблюдения. Включает контроль за бассейном реки.

Заболеваний неинфекционной природы, связанных с загрязнением воды химическими веществами, попавшими туда в результате промышленного, сельскохозяйственного, бытового и иного загрязнения, добавляемыми в виде реагентов или образующимися в качестве побочных продуктов в процессе обработки воды на водопроводных станциях.

В Российской Федерации действуют Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы — СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», которые учитывают современное санитарно-эпидемическое состояние окружающей среды и обеспечивают высокие требования к качеству питьевой воды и контролю за ним.

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.

Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети.

Органолептические свойства воды должны соответствовать следующим нормативам:

1. Запах и вкус питьевой воды обусловлены наличием в воде органических соединений растительного происхождения, сообщающих воде землистый, травянистый, болотистый запах и привкус. Причиной запаха и привкуса питьевой воды может быть и загрязнение промышленными сточными водами. При исследовании воды кроме характера запаха и привкуса определяют и интенсивность в баллах (от 0 до 5 баллов). По СанПин запах и привкус должен быть не более 2 баллов.

2. Цветность воды, обусловлена наличием вымываемых из почвы гуминовых веществ, размножением водорослей в водоеме (цветения), а также загрязнением сточными водами. При исследовании цветности воды пробу сравнивают с стандартной шкалой цветности, и результат выражают в градусах цветности. По СанПин цветность должна быть не более 20 0 .

3. Мутность воды, обусловлена наличием в ней взвешенных частиц. По СанПин мутность воды должна быть не более 1,5 мг/л.

1. Термотолерантные колиформные бактерии - отсутствие в 100 мл.

2. Общие калиформные бактерии - отсутствие в 100 мл.

3. Общее микробное число - не более 50 в 1 мл.

Безвредность питьевой воды по химическому составу определяется рядом нормативных параметров, к которым относятся:

1. Сухой остаток остающийся после выпаривания 1 л воды, не должен превышать 1000 мг/л.

2. Железо , при контакте воды с воздухом железо окисляется, образуя гидроксид железа - придающий воде мутность и бурую окраску, не должно превышать 0,3 мг/л.

3. Жесткость общая , обуславливается наличием солей кальция и магния. С увеличением жесткости воды ухудшается разваривание мяса, увеличивается расход мыла, усиливается образование накипи, у человека может вызвать обезвоживание и снижение аппетита, не должна превышать 7 ммоль/л.

4. Хлориды - воды с высоким содержанием хлоридов имеют солоноватый привкус и неблагоприятно влияют на желудочную секрецию, не должно превышать 350 мг/л.

5. Сульфаты - придают воде горько-соленый привкус, неблагоприятно влияют на желудочную секрецию, не должно превышать 500 мг/л.

6. Фтористые соединения не должно превышать для климатических районов:

I и II - не более 1,5 мг/л.

III - не более 1,2 мг/л.

7. Алюминий - не должно превышать 0,5 мг/л.

8. Нитраты - не должно превышать 45 мг/л.

9. Остаточно свободный хлор - не должно превышать 0.3-0,5 мг/л.

Радиационная безопасность питьевой воды определяется соответствием нормативам показателей общей α- и β-активности. Общая α-радиоактивность не должна превышать ОД Бк/л, а общая β-радиоактивность — 1,0 Бк/л.

Вода источников нецентрализованного водоснабжения употребляется населением без предварительной очистки. Она должна быть безопасной по эпидемическим показателям, безвредной по химическому составу, иметь благоприятные органолептические свойства.

Место для устройства колодца должно располагаться на возвышенном участке, удаленном не менее чем на 50 м от уборных, выгребных ям, сети канализации, скотных дворов, мест захоронения людей и животных, складов удобрений и ядохимикатов, выше (по потоку грунтовых вод) от существующих и возможных источников загрязнения.

Для устройства колодцев и каптажей, как правило, должны использоваться водоносные горизонты, защищенные с поверхности водонепроницаемыми породами.

Существуют определенные требования к устройству и оборудованию шахтного колодца. Стенки шахты колодца облицовывают водонепроницаемыми креплениями. У края шахты устраивают глиняный замок глубиной 2 м и шириной 1 м. Поверх глины оборудуют отмостку из асфальта, бетона, кирпича или камня с уклоном от колодца.

Колодец должен быть обеспечен навесом, крышкой и общественным ведром. Верх колодца должен быть не менее чем на 0,8 м выше поверхности земли. Все это важно для предотвращения попадания в колодец грунтовых, ливневых, талых вод и других загрязнений.

Для предупреждения возникновения в воде мути на дне колодца должен быть фильтрующий слой из гравия толщиной 20... 30 см. Не разрешается поднимать воду из колодца личными ведрами, а только общественным ведром. В радиусе 20 м от колодца не допускаются полоскание и стирка белья, водопой животных. Территория вокруг каптажей и колодцев должна содержаться в чистоте и быть ограждена.

Для подъема воды используют так же и трубчатые колодцы , которые состоят из труб, фильтра и насоса. Из глубоких водоносных горизонтов воду добывают посредством буровых скважин, оборудованных трубами и насосом.

Показателем поступления в воду органических загрязнений может служить увеличение по сравнению с результатами предыдущих исследований содержания хлоридов, аммиака, нитритов, нитратов, а также окисляемости.

Аммиак является начальным продуктом разложения органических азотсодержащих (в том числе белковых) веществ и может расцениваться как показатель опасного в эпидемическом отношении свежего загрязнения воды органическими веществами животного происхождения.

Соли азотистой кислоты (нитриты) представляют собой продукты окисления аммиака под влиянием микроорганизмов в процессе нитрификации и указывают на давность загрязнения.

Соли азотной кислоты (нитраты) — конечные продукты минерализации органических азотсодержащих веществ. Присутствие в воде нитратов без аммиака и солей азотистой кислоты указывает на завершение процесса минерализации.

Одновременное содержание в воде аммиака, нитритов и нитратов свидетельствует о незавершенности этого процесса и продолжающемся загрязнении воды. Хлориды в воде водоисточников рассматриваются как показатели бытового загрязнения.

Представление о содержании органических веществ в воде дает показатель окисляемости (количество миллиграммов кислорода, израсходованного на химическое окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды).

Увеличение коли-индекса (количество кишечных палочек в 1 л воды) свыше предельно допустимого с одновременным изменением химического состава и органолептических свойств воды указывает на необходимость проведения чистки и профилактической дезинфекции колодца.

Контроль за состоянием воды в источниках нецентрализованного водоснабжения осуществляется центрами Госсанэпиднадзора.

При санитарном надзоре за источниками нецентрализованного водоснабжения используются нормативы, установленные СанПиН 2.1.4.1175-02 « Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников» по следующим показателям: запах — не более 2-3 баллов; привкус — не более 2-3 баллов; цветность — не более 30°; прозрачность — не менее 30 см; нитраты — не более 45 мг/л; коли-индекс — не более 10. Содержание химических веществ не должно превышать ПДК.

Водные эпидемии характеризуются быстрым подъемом заболеваемости, связью заболеваний с использованием воды определенного водоисточника и быстрым спадом заболеваемости. Поэтому для предупреждения возможного возникновения заболеваний необходимо бесперебойное снабжение населения достаточным количеством доброкачественной воды.

Методы обработки воды, с помощью которых качество воды источников водоснабжения доводится до соответствия требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», зависят от качества исходной воды водоисточников и подразделяются на основные и специальные.

Основными способами являются осветление, обесцвечивание, обеззараживание.

Для выполнения этих задач используют следующие методы:

1. Коагуляция.

2. Отстаивание.

3. Фильтрация.

4. Обеззараживание воды.

Процесс коагуляции способствует осаждению коллоидных взвесей, для чего добавляют коагулянты - соли аммония (сульфат алюминия) и соли железа, которые превращаются в гидроокиси, на поверхности хлопьев собираются частицы примесей воды, отдельные хлопья при контакте укрупняются, а затем выпадают в осадок. Эффективность коагуляции воды зависит от химического состава воды, ее температуры, количества и характера взвеси. Для этого подбирают оптимальную дозу коагулянта.

Воду с коагулянтом (после камеры реакции) подают в отстойники , которые представляют собой резервуары, через которые непрерывно с небольшой скоростью протекает вода (2-8 часов). Отстойники бывают горизонтальные и вертикальные.

В отстойниках хлопья осаждаются, а вода осветляется и обесцвечивается.

После коагуляции и отстаивания от взвешенных частиц пропускают через быстродействующие фильтры. Это резервуары, на дне которых устроен дренаж. Поверх дренажа загружают слой щебня и слой песка толщиной 1 м. Через фильтр со скоростью 5-12 м 3 /час пропускают отстоянную воду. Каждые 8-12 ч фильтр отмывают обратным током воды.

Методы обеззараживания воды подразделяются на химические (хлорирование, озонирование, использование серебра) и физические (кипячение, ультрафиолетовое облучение, облучение у-лучами и др.).

В настоящее время основным методом, используемым для обеззараживания воды на водопроводных станциях является метод хлорирования . Однако все большее распространение получает метод озонирования , в комбинации с хлорированием он дает хорошие результаты по улучшению качества воды.

Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах используют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала они располагаются следующим образом: хлорамины (RNHC12 и RNH2C1), гипохлориты кальция Са(ОС1)2 и натрия NaOCl, хлорная известь (комплекс Са(С1О)2, СаС12, Са(ОН)2 и молекул воды), газообразный хлор, диоксид хлора С1О2.

Бактерицидный эффект хлорирования объясняется воздействием на протоплазму бактерий хлорноватистой кислоты, которая образуется при введении хлора в воду:

Бактерицидными свойствами обладают также хлоранионы и хлорид-ионы, которые образуются при разложении хлорноватистой кислоты.

Степень диссоциации НОС1 возрастает при повышении активной реакции воды, таким образом, с повышением рН бактерицидный эффект хлорирования снижается.

Действующим началом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами является хлорат-ион, а диоксидом хлора — НС1О (хлористая кислота), которая имеет наиболее высокий окислительно-восстановительный потенциал, в силу чего при использовании диоксида хлора достигается наиболее полное окисление и обеззараживание.

При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество (более 95 %) расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся неорганических (соли двухвалентного железа и марганца) веществ, содержащихся в воде; на окисление бактериальных клеток расходуется всего 2...3 % общего количества хлора.

Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расходуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорганических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 мин, называется хлорпоглощаемостъю воды . Присутствие в воде, подаваемой в водопроводную сеть, остаточного активного хлора в концентрации 0,3...0,5 мг/л является гарантией эффективности обеззараживания. Кроме того, наличие активного остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в разводящей сети.

Следовательно, наличие остаточного хлора является косвенным показателем безопасности воды в эпидемическом отношении.Общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения наличия необходимого количества (0,3...0,5 мг/л свободного активного хлора при нормальном хлорировании и 0,8...1,2 мг/л связанного активного хлора при хлорировании с аммонизацией) остаточного хлора называется хлорпотребностъю воды.

В практике водоподготовки используется несколько способов хлорирования воды: хлорирование нормальными дозами (по хлорпотребности), хлорирование с преаммонизацией и гиперхлорирование (доза хлора заведомо превышает хлорпотребность).

При хлорировании нормальными дозами доза хлора устанавливается экспериментально по сумме хлорпоглощаемости и санитарной нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения пробного хлорирования. Этот метод наиболее часто применяется на водопроводных станциях. Минимальное время контакта воды с хлором при хлорировании нормальными дозами составляет летом не менее 30 мин, зимой —1ч.

При хлорировании с преаммонизацией в воду помимо хлора вводится аммиак, в результате чего происходит образование хлораминов.

Этот метод употребляется для улучшения процесса хлорирования, во-первых, при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния, так как остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный; во-вторых, при содержании в исходной воде фенолов, которые при взаимодействии со свободным хлором образуют хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах.

Хлорирование с преаммонизацией приводит к образованию хлораминов, которые из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала в реакцию с фенолами не вступают, поэтому посторонние запахи не возникают. Однако в силу более слабого действия хлораминов остаточное количество его в воде должно быть выше, чем свободного, и составлять не менее 0,8...1,2 мг/л.

Гиперхлорирование воды — хлорирование дозами, заведомо превышающими хлорпотребность воды. Гиперхлорирование используется при неблагоприятной эпидемиологической обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности.

В тех случаях, когда применения только основных способов недостаточно, используют специальные методы очистки (обезжелезивание, обесфторивание, обессоливание и др.), а также введение некоторых необходимых для организма человека веществ — фторирование, минерализация обессоленных и маломинерализованных вод.

Для удаления химических веществ наиболее эффективным является метод сорбционной очистки с использованием активированного угля, такая очистка значительно улучшает и органолептические свойства воды.

Октябрь 02, 2012

Вода — не только самое распространенное, но и самое удивительное вещество в природе. Данное утверждение основывается на присущих ей физических химических и уникальных свойствах, обеспечивающих то исключительное положение, которое она занимает в биосфере.

Ученые в результате многочисленных научных экспериментов доказали, что именно воде принадлежит ведущая роль в эволюции геологических процессов и зарождении жизни на планете. Огромное количество воды в связанном состоянии присутствует в недрах Земли, в частности в некоторых минералах и горных породах. Основные ее запасы сосредоточены в мантии земной коры — около 15 млрд. км³.

Вода в свободном состоянии содержится в жидких средах нашего организма — крови, лимфе, пищеварительных соках и межклеточном пространстве. В тканях она присутствует в связанном виде, поэтому при повреждении или рассечении органа не выводится. Вода является основной средой организма человека, в которой осуществляется все виды обмена веществ и протекают ферментативные биохимические реакции.

Вода (окись водорода, H2O) — соединение водорода с кислородом, устойчивое в обычных условиях. Эта жидкость не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом. Голубоватый цвет она имеет только в слоях большой толщины, например в океанах и морях. Молекулярная масса воды (18,016 а.е.м.) распределяется следующим образом: водород — 11,9%, кислород — 88,81%.

Свойства воды определяются особенностями ее строения. Молекула воды имеет 3 ядра, составляющие равнобедренный треугольник. В его основании находятся протоны водорода, а на вершине — атом кислорода.

Электроны в молекуле воды располагаются таким образом, что образуют по 2 парных полюса противоположных зарядов: атомы водорода создают 2 положительных полюса, а атомы кислорода — 2 отрицательных.

Высокая полярность молекулы воды позволяет атомам кислорода притягивать атомы водорода соседних молекул и образовывать по 4 водородные связи, что четко прослеживается в кристаллах льда. Структура последних имеет гексагональную решетку, в которой находится множество пустот. При плавлении льда соседние молекулы Н2О заполняют пустоты, что приводит к повышению плотности. Дальнейшее нагревание усиливает движение молекул. Происходит расширение пустот и уменьшение плотности.

Вода в природе существует в жидком, твердом (лед) и газообразном (пар) состоянии. При переходе из твердой формы в жидкую плотность молекулы воды вопреки ожидаемому эффекту возрастает, а не уменьшается. Максимума плотность воды достигает при 4℃, когда вес единицы объема воды превышает тот же показатель при 0℃. При дальнейшем нагревании плотность воды уменьшается. В случае снижения температуры вода медленно опускается на дно, а на ее поверхности образуется лед. Так как его плотность ниже, он поднимается вверх, но за его нижней чертой всегда находится вода.

Еще одно уникальное свойство воды — высокая теплоемкость. Она имеет наибольшую теплоемкость среди всех жидкостей. Этим объясняется медленное остывание воды в течение осени и длительное нагревание в весенний период. Данное свойство воды связано с другой ее функцией — регуляцией температуры на планете.

Ученые установили, что теплоемкость воды снижается при нагревании от 0 до 37℃, а далее этот параметр, напротив, возрастает. Следовательно, самая оптимальная температура, при которой вода быстро нагревается и охлаждается, составляет 37℃, что почти соответствует нормальной температуре тела человека. Объяснения данному факту пока нет, но связь с терморегуляцией человеческого организма очевидна. Предполагается, что в этом состоит защитная функция воды, которая направлена на устранения воздействия высокой температуры.

В зависимости от происхождения, молекулярного состава или особенностей применения выделяются основные и особые типы воды. К первым относятся подземные и сточные воды, талая, пресная, морская, минеральная, тяжелая, легкая, дистиллированная, дождевая вода и др. А особые типы воды окружены ореолом таинственности и обусловлены наличием каких-либо уникальных свойств. Речь идет о святой и структурированной, живой и мертвой воде.