Слово о воде
Слово о воде
Вода. Как всё просто и знакомо каждому. Пить, мыться, плыть... Есть ли в воде нечто такое, чего мы не знаем, что может вызвать острый интерес, породить цепь каких-то новых и пока непредсказуемых событий?
Для начала, не мудрствуя лукаво, обратимся к Энциклопедическому словарю: «Вода, Н2О, — жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность 1,000 г/см3 (3,8 °С). При температуре 0 °С вода превращается в лед, при 100 °С — в пар. Самое распространенное вещество в природе (гидросфера занимает 71% поверхности Земли). Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории планеты и возникновении жизни. Без воды невозможно существование живых организмов (около 65% человеческого тела составляет вода). Вода лежит в основе главного биологического процесса — фотосинтеза. Вода обязательный компонент практически всех технологических процессов, как промышленного, так и с.-х. производства. Вода особой чистоты необходима в производстве продуктов питания и медицине, новейших отраслях промышленности (производство полупроводников, люминофоров, ядерная техника), в хим. анализе. Стремительный рост потребления воды и возросшие требования к воде определяют важность задач водоочистки, водоподготовки, борьбы с загрязнением и истощением водоемов».
Проблема строения воды и водных растворов различных неорганических и органических веществ, которыми и являются природные воды, служит предметом тщательного изучения многих исследований и принадлежит к разряду дискуссионных (Вернадский, 1936 г., Никаноров, 2003 г.) [1, 2].
В последние годы в научных кругах возникло понятие «память воды» [3], связанное со способностью воды «запоминать» воздействие химических веществ, определяющейся сохранением влияния загрязняющих веществ на структуру воды даже после их полного удаления. Эта способность связана со структурными особенностями воды — она представляет собой не одиночные молекулы, а связанные водородной связью ассоциаты из нескольких молекул, представляющих в пространстве тетраэдры, постоянно обменивающиеся друг с другом молекулами воды (рис. 1). Американскими учеными (Фрэком и Уэном) еще в1957 г. была предложена модель строения воды в виде «мерцающих кластеров», состоящих из связанных водородной связью образований, с высокой скоростью обменивающихся друг с другом молекулами воды (рис. 2).
Рис. 1. Строение молекулы воды. Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная тетраэдрическая структура строения воды (в).
Опираясь на современные представления о воде [4] как высокоструктурированной жидкости, становится понятным и термин о «памяти» воды как способности сохранять «память» о воздействии на нее различных загрязняющих веществ, растворение которых сопровождается разрывом водородных связей и нарушением ее структуры. Поэтому при загрязнении воды такими соединениями, как нефтепродукты, фенолы, полихроматические углеводороды, даже после их полного удаления вода долгое время не может восстановить свои первоначальные свойства вследствие нарушения ее структуры.
Рис. 2. Модель мерцающих кластеров жидкой воды. Энергия водородной связи ~ 0,17 эВ. Среднее время жизни воды в кластере ~10-10 сек.
Представления о структуре воды с позиций теории водородной связи объясняют и аномалии физико-химических свойств воды (теплоемкости, теплопроводности, плотности, поверхностного натяжения), которые определяют основные климатические и биологические процессы нашей планеты [5]. К наиболее значимым аномалиям воды относится ее высокая растворяющая способность — она растворяет большинство химических веществ, обеспечивая поступление питательных веществ в растения и живые организмы.
Важнейшим условием существования жизни на Земле является способность воды за счет капиллярных сил и благодаря высокому поверхностному натяжению подниматься по узким почвенным каналам и сосудам растений. Наиболее высокое из всех жидкостей поверхностное натяжение воды важно для физиологии клетки, т. к. обеспечивает процесс передвижения крови по кровеносным сосудам, а также капиллярного поднятия влаги (из нижних слоев почвы в верхние, создавая возможность существования растений в аридной зоне пустынь и полупустынь).
Аномально высокая в сравнении с другими жидкостями теплоемкость воды уменьшает пределы колебаний температуры, обусловливает перенос тепла водными течениями, а также способствует сохранению постоянной температуры тела.
Высокие значения теплоты плавления и испарения определяют термостатирующий эффект воды, благодаря которому Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15 °С. В противном случае климатические и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы. Знаменитое явление Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана теплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили, вносит коварные поправки в климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате этого океаническое течение устремляется через океан от Индонезии к Перу, а температура воды у побережья Перу поднимается на 3–5 °С. Затянувшееся с 1990 по 1995 гг. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы: наводнения там, где их никогда не бывало, великая засуха во влажных областях.
Чрезвычайно важной для биологических процессов является и аномалия плотности воды, которая состоит в том, что она имеет максимум плотности при 4 °С, т. е. вода при замерзании. Благодаря этому в земных водоемах расширяется даже под сплошным ледяным панцирем, температура воды у дна не опускается ниже 4 °С, а потому жизнь обитателей водоемов в зимнее время не прекращается. В настоящее время эта аномалия также объясняется с позиций структурных представлений (Самойлов,1954 г., Никаноров,2003 г.) [3, 5]. При замерзании и образовании льда в воде происходит перестройка структуры с переходом из более плотной тетраэдрической, в менее плотную, «ажурную» гексагональную с образованием ассоциатов из шести молекул (рис. 3).
а б
Рис. 3. Гексагональная структура льда (а) и тетраэдрическая структура жидкой воды (б).
Таким образом, при фазовом переходе из твердой воды в жидкую в узком интервале температур (0–4 °С) идет перестройка с частичным присутствием обеих структур. Это, очевидно, обусловливает особые «живительные» свойства талой воды, оказывающей благоприятное воздействие на растения, животных и человека.
Общеизвестен и эффект очищения воды от примесей в процессе вымораживания, который определяется более низкими температурами замерзания солей по сравнению с чистой водой. При замерзании воды в ходе кристаллизации всё лишнее вытесняется и не входит в структуру льда. Поэтому лед химически чист, даже если образуется из взвеси или раствора (вспомним чистые прозрачные льдинки в грязной луже), свежевыпавший снег всегда сверкает белизной, а талая вода пленяет исключительной чистотой.
Роль талой воды чрезвычайно велика в северных широтах, где большинство рек и озер питаются водами атмосферного происхождения. Так, в работах Воронкова (1963 г.) [6] было показано, что доля талых поверхностных вод в Северо-Западном регионе составляет не менее 40% от общего поступления воды в реки, что определяет низкое содержание растворенных солей в воде.
Так как природные воды являются по составу сложными растворами солей, газов и органических веществ (гуминовых кислот) естественного происхождения, то в разных физико-географических условиях формируются воды различной солености, кислотности и жесткости, что и определяет качество природных вод. При оценке качества вод необходимо иметь в виду принципиальное отличие подземных высокоминерализованных вод и поверхностных вод малой и средней минерализации. В соответствии с современными представлениями, в нижних частях осадочного чехла Земли распространены весьма насыщенные солями и микроэлементами воды, в которых содержание «нормально структурированной» воды резко снижается, что и определяет принципиальное различие подземных и поверхностных вод (Никаноров,1983 г., Блох,1969 г.) [7].
Влияние солености на биологические свойства воды носит двойственный характер. С одной стороны, чем ниже минерализация вод, характерная для поверхностных вод северных регионов нашей страны, тем в большей степени она приближается по структуре к дистиллированной воде с прочными водородными связями, что оказывает благотворное влияние на качество питьевой воды. С другой стороны, низкое содержание в такой воде необходимых живым организмам солей кальция, калия, фосфора требует обогащения питьевой воды Крайнего Севера этими элементами. В аридной зоне сухих степей, наоборот, формируются воды повышенной минерализации, приближающиеся к границе пресных вод (1 г/л), которые имеют измененную структуру водородных связей и содержат соли сульфатов и хлоридов в концентрациях, превышающих санитарно-гигиенические нормативы, что требует их специальной очистки. Так, по данным УГМС и экспедиции географического факультета СПб ГУ, в водах рек Северский Донец и Айдар (Белгородская обл., 2011 г.) фоновое (естественное) и современное содержание сульфатов и хлоридов значительно превышает санитарно-гигиенические и рыбохозяйственные нормативы, что не позволяет использовать эти воды для питьевого водопотребления без предварительной обработки.
Сложной проблемой является и прямое питьевое водопотребление подземных вод, что связано не только с их повышенной минерализацией и структурными особенностями, но и с анаэробными условиями, формирующимися в условиях отсутствия контакта с атмосферой и способствующих появлению сапробной (болезнетворной) микрофлоры и увеличению содержания восстановительных газов (аммиака, сероводорода, метана).
Необходимо иметь в виду, что все методы очистки воды с целью уменьшения солености и концентрации взвешенных и органических веществ (пропускание через ионообменные колонки, адсорбция и озонирование) приводят к получению воды с нарушенными водородными связями, которая отличается от первоначальной своей структуры, что, очевидно, сказывается на биологических свойствах воды. Эти вопросы требуют специального комплексного междисциплинарного изучения силами гидрогеохимиков, гидрологов, микробиологов и биологов.
В связи с этим выясняется, что «самого распространенного вещества в природе» в наше время человечеству начинает не хватать, что способно привести к крупнейшим изменениям в мировой экономике и политике.
(Продолжение следует)
В. А. Камбуров, директор ООО «Институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», официальный представитель Союза водопользователей России в Санкт-Петербурге и Ленинградской области;
Т. М. Потапова, к. х. н., доцент факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета;
В. Л. Трушевский, к. т. н., доцент факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ)
Литература
1. Вернадский В. И. «История природных вод». — М.: ОНТИ,1936 г.
2. Никаноров А. М. «Гидрохимия». — СПб: «Гидрометеоиздат»,2003 г.
3. Никаноров А. М., Тарасов М. Г. «Гидрохимия и формирование подземных вод и рассолов». — Л.: «Гидрометеоиздат»,1983 г.
4. Самарина В. С. «Гидрогеохимия». Учебное пособие. — Л.: Изд-во ЛГУ,1977 г.
5. Самойлов О. Я. «Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов». — М.: Изд-во АН СССР,1957 г.
6. Воронков П. П. «Формирование химического состава атмосферных вод и влияние его на почвенные растворы и склоновые воды». / Труды ГГИ. Вып. 102.1963 г.
7. Блох А. М. «Структура воды и геологические процессы». — М.: «Недра»,1969 г.
| Автор: В. А. Камбуров,Т. М. Потапова,В. Л. Трушевский Дата: 15.10.2012 Журнал Стройпрофиль 101 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |