Вода в природе
Вода — самое распространенное вещество в биосфере, играющее исключительно важную роль в природе. Это химическое соединение водорода с кислородом в таком соотношении элементов по весу: 11% водорода и 88,89% кислорода. Каждая молекула воды в целом является электрически нейтральной. Однако в ней существует перераспределение зарядов: та часть, где расположен атом кислорода, является отрицательной, а часть, где находятся атомы водорода, — положительной. Возникает так называемый дипольный момент, в результате которого две соседние молекулы притягиваются одна к другой за счет электростатической связи, которая называется водородной. В результате молекула жидкой воды состоит в основном из объединения двух простых молекул — Н2O2 (диполь). Имеются сведения о том, что при комнатной температуре каждая молекула воды создает временные связи с тремя-четырьмя соседними молекулами. Водяной пар имеет простейшую формулу Н2O (гидроль). Лед представляет объединение трех простых молекул — (Н2O)3 (тригидроль).
В естественных условиях в воде всегда растворены различные газы, соли и находятся во взвешенном состоянии твердые частицы.
Вода обладает способностью увеличиваться в объеме при охлаждении ниже 0° С. Объем воды минимален при +4° С. Большинство веществ при охлаждении сжимается, а плотность их повышается. Но вода, образуя лед, кристаллизуется. Его плотность меньше плотности воды, а объем больше. Поэтому лед не тонет, а вода, замерзая в стеклянном сосуде, рвет его на части. Чем больше давление испытывает объем воды, тем ниже температура ее замерзания. Поэтому океанская вода при температуре -3° С на глубине 4000 м не замерзает.
Вода обладает большой теплоемкостью, что исключительно важно для отдельных живых организмов и биосферы в целом. Вода в большей степени, чем другие вещества, воспринимает тепло, сама при этом нагреваясь незначительно. Известно, что для нагревания 1 л воды на 1° С необходимо затратить в 3300 раз больше энергии, чем на нагревание 1 л воздуха. Поэтому вода играет на планете роль главного аккумулятора и распределителя солнечной энергии.
Одно из поразительных свойств воды — способность подниматься вверх по узким канальцам, преодолевая силу собственной тяжести. Это явление — капиллярность — сыграло огромную роль в развитии жизни на Земле. Благодаря этому свойству растения получают из почвы растворы питательных веществ. Связано с этим и движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Мировые запасы воды состоят из жидкой (соленая и пресная), твердой (пресная) и газообразной (пресная) воды.
Воды пресные — воды с содержанием растворимых солей до 1 г/л (в зависимости от химического состава), солоноватые — от 1 до 3 г/л. Воды соленые — это воды с содержанием растворимых солей от 3 г/л и выше. Они подразделяются на слабосоленые (засоленные) с концентрацией солей от 3 до 10 г/л, соленые и очень соленые — от 10 до 50 г/л и рассольные (рапа) — более 50 г/л растворимых солей.
Природные воды подразделяют и по другим показателям (табл. 1).
Таблица 1 - Классификация природных вод по рН (водородному показателю), общей жесткости и степени бактериальной загрязненности (коли-индексу)*
|
Классификация природных вод | ||
|
по величине рН (водородному показателю) |
по общей жесткости, мг-экв/л |
по степени бактериальной загрязненности (коли-индексу) |
|
щелочные |
очень мягкие - до 1,5 |
сильно загрязненные - |
|
слабощелочные |
мягкие |
загрязненные - |
|
нейтральные |
умеренно жесткие |
слабо загрязненные - |
|
слабокислые |
жесткие |
удовлетворительные - |
|
кислые |
очень жесткие - |
хорошие - |
Примечание: * коли-индекс — количество бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды.
Общие запасы воды на планете составляют 1 338 000 тыс. км3. Из этого количества 96,5% приходится на долю Мирового океана, 1,7% составляют подземные воды, 1,74% — ледники и постоянные снега. Общие запасы пресной воды составляют всего лишь 2,53% от общих мировых запасов воды (табл. 2).
Часть воды находится в водных объектах. Водный объект — это река, озеро, болото, водохранилище, ледник или другая форма сосредоточения воды на поверхности суши.
Для использования в промышленности, сельском хозяйстве и быту пригодны в основном пресные воды. К ним относятся: подземные воды, реки, пресные озера, ледники и постоянные снега, болота, почвенная влага и вода в атмосфере.
Таблица 2 - Мировые запасы воды
|
Объект |
Площадь распространения, млн км2 |
Объем, тыс. км3 |
Доля от мировых запасов, % | |
|
от общих запасов |
от запасов пресных вод | |||
| Мировой океан |
361,3 |
1338000 |
96,5 |
- |
| Подземные воды в том числе пресные воды |
134,8 |
23400 |
1,7 |
- |
|
- |
10530 |
0,76 |
30,1 | |
| Почвенная влага |
82,0 |
16,5 |
0,001 |
0,05 |
| Ледники и постоянные снега |
16,2 |
24064 |
1,74 |
68,7 |
| Подземные воды |
21,0 |
300 |
0,022 |
0,86 |
| Воды озер пресных соленых |
1,24 |
91,0 |
0,007 |
0,26 |
| Воды болот |
2,68 |
11,5 |
0,008 |
0,03 |
| Воды рек |
418,2 |
2,1 |
0,0002 |
0,006 |
| Общий запас воды |
- |
1 385 984,6 |
100,0 |
- |
| Общий запас пресной воды |
- |
35 029,2 |
2,53 |
100,0 |
Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту воды в природе (рис. 4). Глобальный водообмен — это процесс испарения воды с поверхности океана и суши, переноса водяных паров, их конденсации с выпадением осадков, перераспределения всех видов стока, что в конечном итоге приводит к возврату вод в океан. В результате испарения образуется гигантский объем воды, достигающий 525 000 км3 год. При этом 86% воды испаряется с поверхности Мирового океана и внутренних морей: Каспийского, Аральского и др. Остальная часть испаряется на суше, в том числе половина — благодаря транспирации влаги растениями. Транспирацией называется испарение воды надземными органами растений и прежде всего листьями.
Каждый год с поверхности суши испаряется в среднем 485 мм воды, а с водной поверхности — слой воды толщиной около 1250-1400 мм.
Часть ее вновь выпадает осадками в океан, а часть переносится ветрами на сушу и здесь питает реки, озера, подземные воды, ледники и другие водные объекты. Имеются сведения о том, что на эту «природную дистилляцию» воды расходуется примерно 20% энергии Солнца, приходящей на Землю.
Несмотря на то, что запасы пресных вод на планете ограничены, они постоянно возобновляются. Скорость возобновления (водообмена) и определяет доступные человечеству ресурсы. Большая часть пресных вод (85%) сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена составляет для полярных ледников — 9700 лет, Мирового океана — 2500 лет, ледников горных районов — 1600 лет, подземных вод — 1400 лет, воды озер — 17 лет, болот — 5 лет, почвенной влаги — 2 года, рек — 16 дней, влаги в атмосфере — 8 дней и воды в организмах — несколько часов.
Природная вода, то есть вода подземных источников и поверхностных водоемов, — это сложная дисперсная система. Дисперсной средой является химическое соединение Н20, а дисперсной фазой — газы, минеральные и органические вещества и микроорганизмы. Часть химических соединений в воде не растворяется, образуя взвешенные вещества, суспензии или эмульсии, другие растворяются в различной степени. В наибольшей степени в воде растворяются хлориды, сульфаты и нитраты щелочных и щелочноземельных металлов. Неорганические вещества способны в воде диссоциировать на катионы металлов (Na+, К+, Са2+, Mg2+) или водород (Н+) и анионы кислотных остатков (Cl-, S042-, НС03-, I С032-) или гидроксильные анионы ОН-. В воде растворены газообразные вещества: кислород, двуокись углерода, сероводород, водород, азот и другие.
Содержащиеся в воде элементы можно отнести к макроэлементам (натрий, калий, кальций, магний, азот, серу, фосфор, хлор и т.д.) и микроэлементам (железо, медь, цинк, марганец, кобальт, селен, молибден, фтор, йод и другие).
Макроэлемент — это химический элемент, содержащийся в теле живых организмов в концентрациях от 0,001% и выше от их массы.
Микроэлемент — это органический элемент, содержащийся в живых организмах в низких концентрациях (от 0,001 до I 0,000001%) и необходимый для их нормальной жизнедеятельности. В организм человека и других живых организмов макро- и микроэлементы поступают из окружающей среды в основном с питьевой водой и продуктами питания. По последним сведениям, в воде выявлено 65 микроэлементов.
В зависимости от преобладания кальция, магния, натрия, соединений соляной, серной и угольной кислот определяют гидрохимический класс вод. Принято различать воды гидрокарбонатного, сульфатного и хлоридного гидрохимического классов, а также смешанные воды (табл. 3).
Таблица 3 Классификация вод по химическому составу.
|
Гидрохимический класс |
Карбонаты |
Гидрокарбонаты |
Сульфаты |
Хлориды |
| Гидрокарбонатный |
Na2CO3 |
Mg(HCO3)2 |
Na2SO4 |
NaCl |
| Сульфатный: сульфатно-натриевые сульфатно-магниевые (хлормагниевые) |
- |
Mg(HCO3)2 |
Na2SO4 |
- |
|
- |
Mg(HCO3)2 |
MgSO4 |
NaCl | |
| Хлоридный |
- |
Ca(HCO3)2 |
CaSO4 |
NaCl |
Вода может быть жесткой — с преобладанием гидрокарбонатов кальция и магния, — мягкой — с преобладанием хлоридов и сульфатов или просто с малым количеством солей. Большая часть природных пресных вод отнесена к гидрокарбонатному классу. Это материковые воды, включающие многие реки и значительную часть подземных вод, то есть воды, широко используемые в водоснабжении населения. К классу хлоридных относятся в основном воды морского происхождения, ряда материковых озер и подземные воды солончаковых районов, пустынь, полупустынь. Обычно это воды повышенной минерализации (1,5-2,0 г/л).
Вода является важнейшим составляющим живого вещества, без которого жизнь невозможна. Общая масса воды, содержащейся в живых организмах, около 2500 км3. Живые организмы на 2/3 состоят из воды. Процент воды зависит от массы тела и возраста: самый большой у молодых организмов и самый малый в преклонном возрасте. Так, 6-недельный зародыш на 95% состоит из воды, у новорожденного ее количество составляет 75% массы тела, а у 50-летних — только 60%.
Вода распространена в организме человека и животных неравномерно. Около 70% воды сосредоточено внутриклеточно и 30% вне клеток. Больше всего воды в стекловидном теле глаза — 99%, в лимфе — 96%, в плазме крови — 92%, в мозге — 85%, в соединительной ткани — 80%, в мышцах — 75%, и значительно меньше — в жировой (20%) и в костной (20-25%) тканях. Только незначительная часть воды в организме находится в свободном состоянии. Большая ее часть является комплексом белков, углеводов и жиров.
Химический состав крови по ряду химических элементов (CI, Na, О, Са, К) близок к химическому составу морской воды Мирового океана, где первоначально зародилась жизнь.