Физические и химические свойства воды.

О загадочных свойствах воды

Вода – драгоценнейший дар природы, обеспечивающий жизнь на Земле. Для человека вода является определяющей в его жизнедеятельности. Казалось бы, нет ничего привычней, чем вода и все же нет ничего более загадочного. Формы ее существования варьируются от родника до океана. Струйка пара из чайника и облака в небе – это все вода, только уже в газообразном виде. Пушистый снег и твердый лед – все та же вода. А в физике еще знают, так называемую, «тяжелую воду», которая должна сделать большой вклад в энергетику будущего.

Всегда было известно, что замерзающая вода разрывает трубы и сосуды. А вот в капиллярах, размеры которых тоньше волоса, она и на морозе остается жидкой. Сколько еще тайн в ней? Очередные загадки задала ученым и изобретателям вода, когда они подвергли ее воздействию электрическим током… Но об этом немного позже. А сейчас…

Основой всех биохимических процессов, протекающих в организме человека, является вода. Человеческий организм на 2/3 состоит из воды, а лимфа и кровь почти полностью состоят из воды. Такую роль вода выполняет в полном объеме только в том случае, когда она чистая. К сожалению, питьевая вода содержит всегда какие-нибудь примеси, в том числе и вредные для Здоровья человека, а также болезнетворные бактерии и вирусы.

В воде обитает огромное количество микроорганизмов животного и растительного происхождения. Это объясняется физическими и химическими свойствами воды. Мир микроорганизмов, населяющих воду, очень разнообразен. К ним относятся бактерии, простейшие, водоросли, грибы, вирусы. Вода, почва и организмы человека и животных являются естественной средой обитания микроорганизмов. Воздух не является благоприятной средой для развития микробов, потому что не содержит капельножидкой воды, но, попадая в воздух вместе с пылью, многие микроорганизмы могут сохранять довольно длительную жизнеспособность. Следует сказать, что только в артезианских водах отсутствуют микроорганизмы, но это при качественной изоляции водоподъемной колонны от всех вышележащих водных горизонтов, в том числе от верховодки.

Примеси в природной воде, в основном, представлены солями жесткости и железистыми соединениями. Для средней полосы Украины содержание солей жесткости может достигать до 1000 мг/л, а железа – до 0,5-0,8 мг/л. В южных районах Украины содержание примесей резко увеличивается: солей до 3000 мг/л и более, где добавляются хлориды и сульфаты натрия, калия, кальция и др., что еще больше увеличивает общую минерализацию воды.

Кроме этого, в воде содержатся различные вредные примеси, образующиеся на современном производстве: свинец, ртуть, медь, цинк, мышьяк и т.д. Плюс высокая бактериальная зараженность. В Украине обеззараживание воды производится в основном хлорированием. Так как хлор сильный окислитель, а в воде содержатся органические вещества – это приводит к образованию хлорорганических веществ, в т.ч. диоксина – сильнейшего яда, который применялся как химическое оружие в войне США с Вьетнамом.

Очень метко о нашей воде сказал директор института коллоидной химии и химии воды НАН Украины академик Гончарук В.В.: “В родниках – моча, в Днепре – сточные воды, а импортные фильтры делают киевскую воду токсичнее, чем в кране” [25].

Естественно, при попадании такой воды в человеческий организм возникают различные «неприятности»:

- во-первых, из-за отложения солей жесткости и других веществ в межклеточном пространстве организма человека ухудшается обмен веществ;

- во-вторых, соли тяжелых металлов, попадая в кровь и лимфу, засоряют организм и ухудшают работу многих жизненно важных органов человека;

- в третьих, высокий бактериальный уровень воды делает ее опасной, а вернее – невозможной для применения без кипячения.

Влияние качества воды на здоровье человека было замечено еще в глубокой древности. Так, Гиппократ советовал использовать для питья кипяченую воду. Впоследствии, с развитием науки, предложения древних дополнились исследованиями Пастера, Коха и других ученых, в которых была рассмотрена зависимость распространения инфекционных болезней, таких, как холера, брюшной тиф, дизентерия, инфекционный гепатит и др., от плохого качества воды.

Надо сказать, что хлорирование воды, защищая нас от холеры, дизентерии…, вызывает болезни печени, почек. Так как в воде содержатся яды – диоксины и др., они постепенно накапливаются в организме и разрушают иммунитет, эндокринную систему, вызывают генетические изменения и даже способствуют развитию рака.

Таким образом, пить неочищенную воду крайне опасно для человеческой жизни.

Часть 1.

Общие сведения по воде

Три четверти поверхности нашей планеты покрыто водой. Большая ее часть образует океаны и моря и будучи насыщенна солями, она не пригодна для питья. Соленые воды океанов и морей составляют 1,338 х 10⁹ км³, или 97,75%. Остальные 2,25% - пресные воды. Однако половина их сосредоточена в полярных зонах Земли в виде ледников, а другая половина скрыта в толще Земли. Действительно, доступной пресной воды в озерах, руслах рек, болотах и в атмосфере имеется примерно 2 х 10⁵ км³. На высоте до 1 км в атмосфере концентрация водяного пара в воздухе составляет меньше 2%. Вот и вся пресная вода, на которую можно рассчитывать в ближайшем будущем.

В воде, взятой из любого природного источника, обязательно присутствуют различные примеси. Даже самая чистая дождевая вода содержит в одном литре около 35 мг сухого остатка. Что касается подземных вод, то они представляют собой растворы с широкой гаммой состава и концентрации примесей.

В морской воде содержание солей колеблется от 5 г/л в Балтийском море, 18 г/л – в Черном и до 41 г/л – в Красном.

Каждая живая клетка организма человека содержит живительный раствор различных питательных веществ в воде. Содержание воды в крови человека – около 90%, в почках – до 82%, в печени – до 69%, в костях – до 28%. В целом организм человека состоит на 70% (по весу) из воды и эту воду необходимо постоянно пополнять. В противном случае, при потере воды в объеме 12% от массы тела, человек погибает. При нормальной продолжительности жизни объем потребленной воды составляет около 25 тонн на одного человека.

Физические и химические свойства воды.

Чистая вода – прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха. Некоторые физические константы воды приняты в качестве эталона. Так, температура таяния льда при давлении 101,325 кПа (760 мм рт.ст., 1 атм.) принята за нулевую точку, а температура кипения воды при этом же давлении – за 100^оС.

Многие свойства воды аномальны. Так, теплоемкость воды в 10 раз больше, чем железа. Поэтому при затратах одинакового количества тепла вода нагреется в 10 раз меньше. В точке плавления (0ºС) 1 г воды поглощает 79,7 калорий без повышения температуры, в точке испарения 1 г воды – 539,4 калорий до того, как начнет повышаться ее температура. Аномально изменяется и плотность воды при нагревании - охлаждении. При понижении температуры от 100ºС до 3,98ºС вода непрерывно сокращается в объеме. Но после пересечения границы 3,98ºС наступает обратное явление. Единица объема воды при 3,98ºС весит больше, чем при 0ºС, поэтому-то лед и плавает в воде. Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди всех жидкостей (за исключением ртути).

Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду. А инфракрасные проникают только в поверхностный слой. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую окраску.

Природная вода всегда представляет собой раствор различных химических соединений, большей частью солей. В воде, кроме различных солей, растворены также и газы. Среднее содержание газов колеблется от 10^-4 до 10^-6%. Количество кислорода иногда достигает 6 мг/л. В воде также присутствуют гумусовые вещества – сложные органические соединения, образующиеся в результате полного распада остатков растительных и животных тканей и химического взаимодействия их с минеральными компонентами почвы. Содержание гумусовых веществ в речных водах составляет 10-50 мг/л, а в озерных водах – от 1 до 150 мг/л. В воде почти всегда есть и другие растворимые соединения типа белков, сахаров и спиртов. Это – продукты жизнедеятельности и распада животных и растительных организмов.

Вода разлагает соли на отдельные ионы. При этом образующиеся ионы могут соединяться с водой в более сложные группы, находящиеся в состоянии диссоциации. Так как молекулы воды являются диполями, то они неизбежно присоединяются к другим частичкам, несущим электрический заряд, и образуют коллоидные частицы.

Вода – термически устойчивое вещество. Она выдерживает нагревание до температуры 1000ºС, при которой частично распадается на водород и кислород.

2Н₂ОW2Н₂ + О₂

Вода – реакционно-способное вещество, она реагирует с оксидами многих металлов (Na₂O, CaO и др.) и неметаллов (Cl₂O, CO₂ и др.), образует кристаллогидраты с некоторыми солями [Al₂(SO₄)₃·18H₂O], вступает во взаимодействие с активными металлами (Na, K и др.). Вода – катализатор многих реакций и иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Так, следы воды нужны для взаимодействия натрия с кислородом в атмосфере воздуха, для реакции фтористого водорода со стеклом и хлора с металлами. Будучи обезвоженной, серная кислота не реагирует со щелочными металлами, а те с хлором, СО не горит в кислороде, а гремучий газ не взрывается.

Перечисленные аномалии еще никто не сумел объяснить. Но еще более загадочными оказываются биологические свойства воды при контакте с живыми организмами, в т.ч. и человеком.

Состав воды. Примеси.

В природных условиях вода не может сохранить химическую чистоту. Вода, с которой мы сталкиваемся ежедневно, не является чистой, а содержит целый ряд разнообразных примесей как органического, так и неорганического состава.

Если все примеси, загрязняющие воду, сформировать в группы по их физико-химическому состоянию и размеру (по дисперсности), то можно выделить четыре группы (см. табл. 1). В первую группу входят взвеси довольно крупных частиц. В состав крупных взвесей входят частицы плохо растворимых глин, песок, планктон, карбонатные породы, нерастворимые гидроокиси металлов и др. Такие взвеси неустойчивые и легко расслаиваются.

В состав второй группы (тонкие взвеси) – суспензии (например, суспензии глины в воде), эмульсии (нефть в воде), пены, а также бактерии (в том числе болезнетворные). Пены образуются из пузырьков газа с размерами порядка миллиметров и более. В качестве пенообразователей выступают присутствующие в воде спирты, жирные кислоты, мыла и особенно белковые соединения. Эти суспензии более устойчивые и трудноразделимые по сравнению с первой подгруппой.

В состав второй группы входят коллоидные и высокомолекулярные соединения. К ним относятся: минеральные частицы гумусовых веществ, которые придают воде окраску. К этой же группе могут быть отнесены различные микроорганизмы, в том числе вирусы.

Таблица 1.

В третью группу входят растворенные в воде газы и органические соединения, как биологического происхождения, например, гуминовые, так и промышленного происхождения (фенолы и др.). Эти вещества придают воде привкус и запахи, иногда окраску. Некоторые из них могут быть токсичны. Молекулы растворенных соединений взаимодействуют между собой и водой, образуя прочные или легко диссоциирующие соединения, существующие лишь в растворе.

Четвертая группа объединяет вещества, диссоциирующие в воде на ионы. К ним относятся соли (в том числе соли жесткости), основания и кислоты, которые присутствуют во всех водах.

Источники водоснабжения.

Источники водоснабжения населения Украины можно подразделить на две большие группы:

1. Поверхностные воды.

2. Подземные воды.

К первой группе относятся воды рек, озер, прудов. Их состав определяется климатическими факторами, рельефом, формой и размерами бассейна, состоянием почвы и горных пород, агротехническими и гидротехническими мероприятиями, проводимыми в данной местности. Поверхностные воды, кроме минеральных солей, отличаются большим содержанием органических соединений. Состав примесей этих источников водоснабжения зависит от того, какими водами они питаются: поверхностными или подземными. Если преобладает питание поверхностными источниками, то содержание солей небольшое. Так, для средней полосы Украины содержание солей (сухой остаток), как правило, не превышает 1000 мг/л. Если преобладают подземные источники, то содержание солей может достигать 3000 мг/л. Содержание гумусовых веществ в таких водах небольшое – 2-10 мг/л. Как правило, воды этой группы имеют повышенный бактериальный уровень. Причем, качество этой воды ухудшается в направлении с севера на юг Украины.

Ко второй группе относятся артезианские воды, добываемые с помощью скважин, колодцев и родников.

Вода из артезианских скважин имеет повышенное содержание солей и железа по сравнению с поверхностными источниками, но благоприятный бактериальный фон, нет органики. Особенностью такой воды является постоянство температуры. Часто такая вода может употребляться как питьевая без ее предварительной подготовки. Но такое качество вода имеет при хорошей изоляции пробуренных скважин от верхних водоносных горизонтов, грунтовых вод, которые в большинстве своем не пригодны для питья.

В системе Киевского водопровода используется больше 400 артезианских скважин с общим дебитом около 300 тыс. м³/сутки. Глубина скважин от 100 до 350 м. В последнее время в некоторых артезианских скважинах обнаружены железо- и серобактерии, а также бактерии, похожие на сине-зеленые водоросли, споры, гифы грибов, водоросли и жгутиковые организмы. Это делает такую воду непригодной для питьевых целей без предварительной обработки. Жесткость киевской воды из водопровода составляет от 3 до 4,5 мг.-экв./л. Жесткость воды из скважин – от 6 до 10 мг.-экв./л. (ПДК не больше 7 мг.-экл./л.). Показатели воды других районов Украины, особенно южных, значительно хуже. Так, в Днепропетровской области общая жесткость воды может достигать 25 мг.-экв./л, в Донецкой – больше 30 мг.-экв./л. Бактериальный уровень воды в этих районах также не соответствует ГОСТу.

Родниковая вода составляет небольшую часть от общих расходов воды. В г. Киеве имеется больше 50 родников. Родниковая вода в большинстве случаев характеризуется повышенной жесткостью, самым различным химическим составом, а также различными органолептическими свойствами и различной эпидемической безопасностью. На качество родниковой воды оказывают влияние сезонность, техногенная деятельность человека и др. Употреблять такую воду можно только имея данные по ее анализу и после ее кипячения.

Колодцы обеспечивают водой значительную часть сельского населения. Как правило, эта вода содержит много органических примесей, часто есть мочевина и др. «продукты» деятельности человека в сельской местности. Много растворенных солей, повышенная бактериальная зараженность. Такую воду пить без кипячения опасно. Вся колодезная вода требует очистки от солей, нитратов, нитритов, гербицидов, фенолов, органики.

Большинство населения Украины получает питьевую воду централизованно, из водопровода, после предварительной очистки и обеззараживания в соответствии с требованиями ГОСТа 2874-82 (“Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством воды”). Обработка воды хлором приводит к образованию хлорорганических соединений, которые являются ядами (диоксин и др.). В водопроводах происходит вторичное загрязнение воды железом и бактериями и их отходами. Источником поступления железа является коррозия металлических труб. Внутренние стенки обрастают биологической живностью, которая и “поставляет” в воду бактерии и их отходы. Поэтому такая вода без очистки и обеззараживания опасна для питья.