Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими (рис. 1.3). Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии (лед Ih) и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии. При этой структуре образуются «пустоты — каналы» между фиксированными молекулами, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Повышение температуры льда до его плавления и выше приводит к разрыву водородных связей. При жидком состоянии воды достаточно даже обычных тепловых движений молекул, чтобы эти связи разрушить.

Рис.2 Схема взаимодействия молекул воды

1 — кислород, 2 — водород, 3 — химическая связь, 4 — водородная связь.

Считается, что при повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

3. Разновидности воды

На Земле содержится около 1500 млн. км3 воды. Причем доля пресной воды составляет всего 10% от общего количества. А если учесть то факт, что большая часть пресной воды содержится не на поверхности земли, а в земной коре, можно сделать вывод о том, что доля относительно доступной пресной воды очень и очень ограничена. В зависимости от типа залегания, свойств и химического состава вся вода на Земле подразделяется на множество видов:

- соленая вода - безусловно, главным хранилищем соленой воды на Земле является Мировой океан. Мировой океан поистине огромен, если говорить языком цифр, то Мировой океан - это: 97% всей воды на планете; 74% всей площади Земли и около 1,35 млрд. км3 объема;

Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу:

Вещество - Содержание, г/кг морской воды

Хлорид-ион C1- - 19,35

Ион натрия Na + - 10,76

Сульфат-ион SO4 2- - 2,71

Ион магния Mg2 + - 1,29

Ион кальция Са2 + - 0,412

Ион калия К + - 0,40

Диоксид углерода - 0,106

Бромид-ион Вr- - 0,067

Борная кислота - 0,027

Ион стронция Sr2 + - 0,0079

Фторид-ион F- - 0,001

Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях;

- пресная вода - пресная вода распределяется на Земле следующим образом: около 2% всей пресной воды сосредоточено в ледниках и полярных льдах; около 7% пресной воды находится в озерах и реках и около 0,5% в грунтовых водах;

Пресная воды в свою очередь делится на следующие виды:

- дистиллированная вода - так называют воду, химический показатель которой близок к чистому Н2О. Природной дистиллированной воды не существует, она производится в специальных дистилляторах методом выпаривания пресной воды с последующей конденсацией. Используется она в основном для медицинских или исследовательских целей. Ее производят в специальных дистилляторах путем выпаривания обычной пресной воды с последующей конденсацией пара - дистилляцией. При этом все присутствующие в воде примеси остаются в выпаренном остатке. Этот процесс основан на принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами. Также поступают с морской водой, чтобы избавить ее от солей и минеральных включений. В тропических зонах солнечным теплом нагревают воду в мелких лотках (парниковый эффект), после чего происходит конденсация водяного пара. Идеальное место для размещения подобных установок—прибрежные тропические районы, соседствующие с засушливыми землями, которым предельно необходима вода. Конструкция опреснительных установок должна быть хорошо продумана, с тем чтобы в ней предусматривалось вторичное использование тепла, выделяющегося при конденсации паров. Стоимость опреснения морской воды по методу дистилляции не превышает 1 доллара за 4000 л;

- минеральная вода - так называют воду с повышенным содержанием минеральных компонентов. Минеральная вода образуется в результате обогащения подземных вод целебными минералами. Существует несколько видов минеральных вод: лечебно-столовые (минерализация 2-6 г/л), столовые (минерализация 1-2 г/л) и лечебные (минерализация от 6 г/л);

- искусственная вода – так обозначаются пресные воды, изготовленные с помощью технологических методов с целью имитации химического состава природных минеральных или других вод. Искусственные минеральные воды получают добавлением в обычную или дистиллированную воду химических компонентов (солей магния, калия, натрия, иода и др.), присутствующих в натуральных минеральных водах в таких же процентных концентрациях. Примером таких вод служат искусственно минерализованные воды известных производителей “Боржоми”, ”Нарзан” и ”Ессентуки” с тем отличием, что на бутылках стоит надпись “Искусственно минерализованная вода”. Опресненную морскую воду, которую в широких масштабах производят Арабские Эмираты, богатые нефтью, но бедные пресной водой, тоже можно считать искусственной, как и тяжелую воду, получаемую для исследований в области ядерной физики;

- "Живая" и "Мертвая вода" - так называют воду, произведенную с помощью электролиза обычной воды. "Живая" и "Мертвая" воды обладают рядом полезных свойств, помогающих бороться с различными болезнями;

- колодезные воды - так называются подпочвенные воды, которые извлекаются на поверхность с помощью колодцев. В принципе, сюда же можно отнести и воду из артезианских скважин, с той лишь разницей, что вода из артезианских скважин добывается из гораздо более глубоких слоев почв, чем колодезная. Они очень уязвимы с точки зрения загрязнений: все, что попадает в почву — нитраты, нитриты, ПАВ, пестициды и тяжелые металлы, — может оказаться в колодезной воде;

- вода из артезианских источников – это воды глубокого залегания, которые лучше защищены от различных промышленных и бактериальных загрязнений. Для бурения используются специальные установки, затем в скважину опускают стальные трубы, погружают мощный насос, через который выводится на поверхность трубопровод. Существуют два водоносных горизонта: песчаный залегает на глубине 15— 40 м и отделен от верхнего слоя почвы глинистыми пластами, которые и защищают его от загрязнений, а на глубине 30—230 м и более находятся известняковые водоносные слои, так называемые артезианские. Состав артезианских вод зависит от глубины их залегания. Такая вода может иметь повышенную жесткость и содержать бактерии и органические вещества. Кроме того, из-за плохого соединения труб в скважинах в артезианскую воду могут просачиваться загрязнения из более высоких водоносных слоев. Обычно эту воду необходимо фильтровать и очищать, что осуществляется с помощью очистных систем промышленного и бытового назначения;

- родниковая вода - родником или ключом обозначается небольшой водный поток, бьющий непосредственно из земных недр. Некоторые российские реки и водоёмы порождаются именно такими подземными источниками. Родниковая вода берется в том самом месте, откуда она поступает из-под земли. Вода может быть пресной или минерализованной. В первом случае мы говорим о родниках и ключах, а во втором — об источнике минеральных вод;

- геотермальная - так называют воду, выделяющуюся из недр Земли с температурой выше 20°С. В большинстве случаев они имеют температуру от 40 до 100°С. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°С, а температура пара доходить до 600°С; геотермальные воды с температурой 20—40°С используют для лечебных целей, а с температурой 40—60°С — для выращивания растений в парниках;

- сточные воды - подразделяются на два вида: первые поступают из городских квартир, вторые - с различных промышленных предприятий. Несмотря на постоянно совершенствующиеся способы очистки, повторное применение сточных вод на сегодняшний день не представляется возможным.

Разновидности воды отличаются сочетанием образующих их изотопов водорода и кислорода, которых (естественных) известно по три каждого

Изотопы водорода: легкий, тяжелый и сверхтяжелый. Легкий — протий (ядро - один протон) составляет большую часть водорода обычной воды. Тяжелый (D) — дейтерий (ядро — протон и нейтрон). Его в обычной воде мало. Сверхтяжелый (Т) — тритий (ядро — протон и два нейтрона). Его вообще очень мало. Тритий радиоактивен, период полураспада больше 12 лет. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Трития на всем земном шаре меньше одного килограмма, но его можно обнаружить в любой капле воды. Предполагают, что может существовать и четвертый, и пятый изотоп водорода.

Строение трех изотопов водорода очень напоминает строение одной, двух и трех элементной вибраторной антенны. Протий - это, скорее всего, антенна, состоящая из одного активного вибратора, дейтерий, возможно, антенна, состоящая из одного активного и одного пассивного вибратора, который в антенной технике называют экраном и располагают позади активного. Тритий, возможно, активный вибратор с двумя пассивными, один из них служит экраном, а второй - директором и располагается впереди активного вибратора. Масса активного и пассивного вибратора практически одинакова, что справедливо и для массы протона и нейтрона. Наличие пассивных вибраторов позволяет увеличить коэффициент усиления антенны, т. е. дальность ее действия, что применительно к химическим взаимодействиям может означать повышение активности химического элемента, что и наблюдается у дейтерия и трития. Если все это так, то аналогом протона является активный вибратор, а аналогом нейтронов - пассивные. Отличие нейтрона от протона состоит в том, что протон имеет заряд, а нейтрон заряда не имеет, что также хорошо согласуется с активным и пассивным вибратором.

Изотопы кислорода: легкий (его больше всего), средний (его совсем мало) и тяжелый (его также мало). Искусственно созданы и другие радиоактивные изотопы кислорода, которые живут очень недолго.

Молекула воды может быть образована сочетаниями различных изотопов водорода и кислорода. Поэтому существует очень много разных вод, но некоторые из них неустойчивы. Нет только обыкновенной воды, так как вся вода разная - «необыкновенная».

Легкая вода — это вода, образованная самым легким изотопом водорода и самым легким изотопом кислорода, но в чистом виде в природе такой воды (совокупности большого количества таким молекул без примеси других) нет. Она в небольших количествах существует только в нескольких лабораториях мира.

Тяжелая вода, образованная только тяжелыми изотопами водорода и кислорода, в природе также отсутствует. Однако при использовании тяжелой воды в качестве энергетического топлива из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем ее можно получить из ста килограмм высококачественного угля. Атомы тяжелой воды являются радиоактивными («мечеными») атомами и благодаря этому можно проследить путь (траекторию движения) любого вещества (везде и во всем, включая организм человека), в состав которого они входят.

Полутяжелая вода, в одной молекуле которой смешаны разные изотопы водорода, есть в любой природной воде, но получить ее в чистом виде невозможно, так как в ней постоянно протекают реакции изотопного обмена. Атомы изотопов водорода очень подвижны и непрерывно переходят из одной молекулы воды в другую.

Радиоактивная (тритиевая) вода, в состав молекулы которой входит тритий, выпадает на Землю вместе с осадками, но ее очень мало, а в океанской воде ее еще меньше. Эта вода очень опасна и пока нужна только ученым.

«Нулевая» вода состоит из чистого легкого водорода и кислорода воздуха. Эту воду физики и химики приняли за эталон, она имеет очень постоянный состав.

Тяжеловодородная вода, в состав молекул которой входит дейтерий, в ядерной технике называется тяжелой водой.

Тяжелокислородная вода, в которой тяжелой является молекула кислорода, может быть получена из природной воды, но получить ее очень сложно и трудно. Она нужна для исследований многих биологических и химических процессов.

Реальная вода - это смесь многих вод.

Вода из водопроводного крана, которую берут из рек и водохранилищ, содержит в небольших количествах и тяжеловодородную и тяжелокислородную воду. Во льду больших ледников Кавказа тяжелой воды больше, чем в речной воде, а тяжелокислородной столько же, но в воде ручейков, бегущих по ледникам Кавказа, тяжеловодородной меньше, а тяжелокислородной больше, чем в речной. При испарении вода обогащается легким водородом, и поэтому дождевая вода отличается от воды водоемов. При замерзании уменьшается содержание тяжелого водорода, но повышается содержание тяжелого кислорода. Поэтому вода растаявшего льда отличается от той воды, из которой он был получен.

Классификация воды по источникам

Таблица 3

Распределение вод на земном шаре (единица измерения — миллион кубических километров)

Подземные воды глубокого залегания расположены в десятках-сотнях метрах от поверхности земли, они пропитывают пористые горные породы, а также образуют гигантские подземные бассейны, окруженные водонепроницаемыми слоями. Вода в таких подземных резервуарах находится под давлением.

Другой тип подземных вод поверхностные, расположенные в почве и верхних слоях земной поверхности на глубине нескольких метров. По сравнению с водами глубокого залегания у них есть один недостаток и одно преимущество. Недостаток: эти воды гораздо активнее контактируют с поверхностью земли и поэтому они слабее защищены от загрязнений, чем воды глубокого залегания. Преимущество этих вод заключается в том, что они более доступны и легко накапливаются в колодцах и поверхностных резервуарах.

Следующий по величине массив пресных вод (20—30 млн. км3) сосредоточен в ледниках Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана.

Пресную воду из атмосферы (около 13 тыс. км3) мы получаем в виде осадков — дождя и снега.

Мировой океан содержит большие запасы воды, которая может быть опреснена различными физико-химическими методами.

Основной запас пресной воды, употребляемой человеком, сосредоточен в озерах и реках. Одно из крупнейших российских озерных хранилищ воды — озеро Байкал содержит около 20 тыс. км3 воды. На сегодняшний день байкальская вода считается самой чистой в мире; она характеризуется следующими параметрами: содержание (в мкг/л) свинца — 0,7 (ПДК = 10), кадмия — 0,02 (ПДК = 1), ртути — 0,1 (ПДК = 1), мышьяка - 0,3 (ПДК = 10).

Другой источник воды – живые организмы. В растениях и животных, состоящих на две трети из воды, содержится 6 тыс. км3 воды. Человеческий организм находится в состоянии непрерывного водного обмена с окружающей средой: он выделяет воду в виде пота и мочи и ежедневно восполняет водные потери пресной водой. Если нет возможности напиться, то вода теряется с потом и с выдыхаемым воздухом, и в результате наступает угроза обезвоживания (дегидратации) организма. На первой стадии учащается пульс, возникает слабость, затем — головокружение и одышка. При обезвоживании, составляющем 10% от массы тела, происходят нарушение речи, зрения и слуха и потеря сознания. Гибель организма наступает от необратимых изменений в нервной и сердечно-сосудистой системах при водопотере 15—25% от массы тела (в зависимости от температуры окружающей среды).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6