Водная среда

Введение

Среди природных  ресурсов вода занимает особое место. На протяжении длительной геологической  истории она создала на нашей  планете среду, благоприятную для  возникновения всего живого, в  том числе и человека.

Проблема  чистой воды и охрана водных ресурсов становятся все более острыми  по мере исторического развития общества, стремительно увеличивается влияние  на природу, вызываемого научно-техническим  прогрессом.

Уже сейчас во многих районах земного шара наблюдаются  большие трудности в обеспечении  водоснабжения и водопользования  вследствие качественного и количественного  истощения водных ресурсов, что связано  с загрязнением и нерациональным использованием воды.

Водная  среда.

     Водная  среда включает поверхностные и  подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. км³ - около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. км². Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. км². Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. км³) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру, примерно равную 3,7°С. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.

     Подземные воды бывают солеными, солоноватыми (меньшей  солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30°С.). Для производственной деятельности человечества и его  хозяйственно-бытовых нужд требуется  пресная вода, количество которой  составляет всего лишь 2,7% общего объема воды на Земле, причем очень малая  ее доля (всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть  пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся  в районах в основном Южного полярного  круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. км³. Кроме того, может использоваться часть подземных вод, равная 13 тыс. км³. Большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 км³, приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территории. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или гиперфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого предложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впрочем, некоторые из них, например, коклюш, ветрянка, туберкулез, передаются через воздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды. 

Водный  баланс земли.

     Чтобы представить, сколько воды участвует  в круговороте, охарактеризуем различные  части гидросферы. Более 94% ее составляет Мировой океан. Другая часть (4%) –  подземные воды. При этом следует  учесть, что большая их часть относится  к глубинным рассолам, а пресные  воды составляют 1/15 долю. Значителен также  объем льда полярных ледников: с  пересчетом на воду он достигает 24 млн. км., или 1,6% объема гидросферы. Озерной воды в 100 раз меньше – 230 тыс. км., а в руслах рек содержится всего лишь 1200 м. воды, или 0,0001% всей гидросферы. Однако, несмотря на малый объем воды, реки играют очень большую роль: они, как и подземные воды, удовлетворяют значительную часть потребностей населения, промышленности и орошаемого земледелия. Воды на Земле довольно много. Однако на долю пресных вод, исключая воду, скованную в полярных ледниках, приходится немногим более 2 млн. км., или только 0,15% всего объема гидросферы.

 

Гидросфера  как природная  система

     Гидросфера  – это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность морей, океанов, континентальных  вод (включая подземные) и ледяных  покровов. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено  около 96,5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех внутренних водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1,6% запасов воды в гидросферы, а их площадь составляет около 10% площади континентов.

     Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое осуществляется в процессе круговорота воды в  природе. Движущими силами этого  глобального процесса служат поступающая  на поверхность Земли тепловая энергия  Солнца и сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление  природных вод всех видов.

     Испарение с поверхности Мирового океана и  с поверхности суши является начальным  звеном круговорота воды в природе, обеспечивающим не только возобновление  наиболее ценного его компонента – пресных воды суши, но и их высокое  качество. Показателем активности водообмена природных вод служит высокая скорость их возобновления, хотя различные природные воды возобновляются (замещаются) с неодинаковой скоростью. Наиболее мобильный агент гидросферы – речные воды, период возобновления которых составляет 10-14 суток.

     Преобладающая часть гидросферных вод сосредоточена в Мировом океане. Мировой океан – основное замыкающее звено круговорота воды в природе. Он отдает большую часть испаряющейся влаги в атмосферу. Водные организмы, населяющие поверхностный слой Мирового океана, обеспечивают возврат в атмосферу значительной части свободного кислорода планеты.

     Огромный  объем Мирового океана свидетельствует  о неисчерпаемости природных  ресурсов планеты. Кроме того, Мировой  океан является коллектором речных вод суши, ежегодно принимая около 39 тыс. м³ воды. Наметившееся в отдельных районах загрязнение Мирового океана грозит нарушить естественный процесс влагоооборота в его наиболее ответственном звене – испарении с поверхности океана.

 

Вода  с точки зрения химии.

     Огромная  роль воды в жизни человека и природы  послужила причиной того, что она  была одним из первых соединений, привлекших внимание ученых. Тем не менее, изучение воды еще далеко не закончено.

 

     Общие свойства воды.

     Вода  в силу популярности ее молекул способствует разложению контактирующих с ней  молекул солей на ионы, но сама вода проявляет большую устойчивость и в химически чистой воде содержится очень мало ионов по H+ и OH-.

     Вода  – инертный растворитель; химически  не изменяется под действием большинства  технических соединений, которые  не растворяет. Это очень важно  для всех живых организмов на нашей  планете, поскольку необходимые  тканям питательные вещества поступают  в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных  условиях вода всегда содержит то или  иное количество примесей, взаимодействуя не только с твердыми и жидкими  веществами, но растворяя также и  газы.

     Даже  из свежевыпавшей дождевой воды можно  выделить несколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней  веществ на каждый литр объема. Абсолютно  чистую воду никогда и никому еще  не удавалось получить ни в одном  из ее агрегатных состояний; химически  чистую воду, в значительной мере лишенную растворенных веществ, производят путем  длительной и кропотливой очистки  в лабораториях или на специальных  промышленных установках.

     В природных условиях вода не может  сохранить «химическую чистоту». Постоянно соприкасаясь со всевозможными  веществами, она фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно превышает 1 г/л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их всего 5 г/л, в Черном – 18, а в Красном море – даже 41 г/л.

     Солевой состав морской воды в основном на 89% слагается из хлоридов (преимущественно  хлорида натрия, калия, кальция), 10% приходится на сульфаты (натрия, калия, магния) и 1% - на карбонаты (натрия, кальция) и другие соли. Пресные воды содержат обычно больше всего до 80% карбонатов (натрия, кальция), около 13% сульфатов (натрия, калия, магния) и 7% хлоридов (натрия и кальция).

     Вода  хорошо растворяет газы (особенно при  низких температурах), главным образом  кислород, азот, диоксид углерода, сероводород. Количество кислорода иногда достигает 6 мг/л. В минеральных водах типа нарзан общее содержание газов может  составлять до 0,1%. В природной воде присутствуют гумусовые вещества –  сложные органические соединения, образующиеся в результате неполного распада  остатков растительных и животных тканей, а также соединения типа белков, сахаров, спиртов.

     Вода  обладает исключительно высокой  теплоемкостью. Теплоемкость воды принята  за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа – лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участках Земли в различные времена  года и в различную пору суток: вода выступает как бы регулятором  температуры на всей нашей планете.

     Следует отметить особое свойство воды – ее высокое поверхностное напряжение – 72,7 эрг/см2 (при 20°С). В этом отношении из всех видов жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H2O. Особенно наглядно проявляется поверхностное напряжение в прилипании воды ко многим поверхностям – смачивании. Установлено, что вещества – глина, песок, стекло, ткани, бумага и многие другие, легко смачиваемые водой, непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Такой факт оказался ключевым при объяснении природы смачивания: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с «чужими» атомами кислорода.

     Смачивание  и поверхностное натяжение лежат  в составе явления, названного капиллярностью: в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которую «позволяет» сила тяжести для столбика данного сечения.

     В капиллярах вода обладает поразительными свойствами. Б.В. Дерягин установил, что в капиллярах вода, сконденсировавшаяся  из водяного пара, не замерзает при 0° и даже при снижении температуры  на десятки градусов.

     Молекулы  воды отличаются большой термической  устойчивостью, при деструкции по схеме: 2H2O Û 2H2 + O2 + 2·245,6 КДж. Начинается при  температурах выше 1000°С, и при 2000°С составляет лишь 1,8%. При 5000°С водяной пар со взрывом нацело разлагается на водород и кислород.

     Вода  относится к слабым электролитам: H2O Û H+ + OH-

 

             _  [H+] [OH-]  _     

 

     Kдисс `     [H2O]    `      1, 8·10-16

 

     Вода  весьма реакционно-способное вещество: может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей  вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания  – железо, углерод и др.

     2Na + 2H2O ® 2NaOH + H2

     2Fe + 4H2O ® Fe3O4 +4H2

     Под действием сильных окислителей (фтор, хлор, электрический ток) воды проявляет  восстановительные свойства. Так, реакцию  взаимодействия со фтором можно представить следующим образом:

     2F2 +2H2O Û 2H2F2 + O2

     Существует  три типа присоединения воды к  молекулам других веществ: по ионному, координатному и адсорбционному типу.

     Присоединение по ионному типу происходит к оксидам  щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным  оксидам:

     CaO + H2O ® Ca(OH)2

     P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4

     Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется  при нагревании с большим трудом. Так отщепление от едкого натра начинается при 1388°С:

     2NaOH ® Na2O + H2O

     К ионам металлов – комплексообразователей присоединение идет по координатному принципу:

     CaCl2 + CH2O ® [Ca(H2O)6]·Cl2

     Полученные  соединения называются аквакомплексами, а вода, вошедшая в их состав, - кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется легче, чем конституционная, например, при выветривании.

     Различные вещества адсорбируют на своей поверхности  некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода, присоединенная по абсорбционному типу, называется гигроскопической; она  удаляется легче, чем кристаллизационная.

 

     Ионный  состав природных вод.

     Происходящее  в почвах окисления органических веществ вызывают расход кислорода  и выделение углекислоты, поэтому  в воде при фильтрации её через  почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных  вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых  в воде кислых солей типа: