Вода, которую мы пьем

Предисловие

Не ищите в этой книге чудес. Конечно, я поведаю вам кое-что о целительных свойствах серебряной воды, о воде «мертвой» и «живой», омагниченной и активированной тем или иным способом, однако главной темой этой книги является обычная питьевая вода. Ежедневно мы выпиваем воды около двух с половиной литров, а за все время жизни – такое ее количество, которое в сотню раз превышает человеческий вес. Этого объема хватило бы на небольшой бассейн. Без воды человек не может обходиться, но на состояние нашего здоровья влияет не только количество выпитой воды, а и ее качество. Однако многие из нас ревностно следят за диетой и качеством продуктов, не обращая особого внимания на качество воды. Вода, которую мы пьем, должна содержать полезные вещества и быть чистой. Но даже если воду пропускают через фильтр, а потом кипятят, все равно нельзя быть в полной уверенности, что она достаточно очищена от вредных примесей.

В своей книге я попытаюсь осветить многие вопросы: мы поговорим об источниках воды и ее свойствах, о загрязненных водах и их регенерации, о полезных микроэлементах и вредных веществах, которые присутствуют в воде, о зарубежных и отечественных стандартах на питьевую воду, о способах ее очистки и доочистки и, конечно, о приборах, которые для этого предназначены, – о бытовых фильтрах. Подобных фильтров много, и их производители сулят нам чудеса, но давайте условимся не принимать их заявления на веру, а придерживаться позиции разумного скептицизма. Ведь в конце концов речь идет о нашем здоровье! И это не просто звук: по данным Всемирной организации здравоохранения, 80 % заболеваний, в том числе раковые, обусловлены плохим качеством питьевой воды. Поэтому я постарался проверить те сведения, которые приводятся в рекламных проспектах и технических описаниях различных фильтров.

Признаюсь сразу: сделать это было нелегко. Если мы приобретаем холодильник, телевизор, стиральную машину или другой бытовой прибор, то его достоинства и недостатки проявляются через месяц эксплуатации, они ясны, наглядны и понятны. Но фильтр – совсем иное дело, это как бы таинственная вещь в себе. Допустим, я пошел на кухню, налил из крана стакан сырой воды, рассмотрел ее, понюхал, выпил… и ничего особенного ни в цвете, ни в запахе, ни во вкусе не обнаружил: вода прозрачная, пахнет свежестью, на вкус приятна. Затем я пропускаю воду через фильтры различных конструкций, снова осматриваю, нюхаю, пью… Вроде бы то же самое, разница незаметна. Возможно, ее уловит профессиональный дегустатор, но для меня и для вас такие тонкости недоступны – мы всего лишь рядовые потребители.

Чтобы проверить соответствие качества фильтра рекламной информации, необходимо произвести весьма непростые анализы, и анализов этих будет много, так как определение всякой вредной примеси осуществляется по особой методике, описанной в Государственных стандартах на питьевую воду. Если вы никогда в них не заглядывали, советую заглянуть. И уж во всяком случае внимательно прочитать тот раздел моей книги, где говорится об этих стандартах.

Словом, проверка – дело сложное. Работая над книгой, я постарался такую проверку выполнить с помощью специалистов и Интернета, в котором оказалось нетрудно отыскать данные о тех или иных водоочистителях и узнать отзывы о них со стороны конкурентов. Об этом будет рассказано в шестой главе, а сейчас я хотел бы развеять кое-какие мифы о воде и ее очистке.

Прежде всего зададимся вопросом: что такое вода? В дальнейшем мы рассмотрим этот вопрос подробнее, но я хотел бы сразу уточнить, что вода в ее естественном состоянии – это сложный раствор огромного количества веществ, как полезных, так и вредных, среда обитания водных растений и живых существ от микроорганизмов до китов, тюленей и акул. Разумеется, в пресных водоемах, из которых мы получаем питьевую воду, акулу, а иногда даже и карася не встретишь, а вот вирусы, бактерии и различные органические и неорганические соединения могут в ней присутствовать. Ядов, патогенных микробов и вредной химии в питьевой воде быть не должно, а полезные микроэлементы, соли натрия, калия, кальция и магния должны обязательно присутствовать, но, разумеется, в надлежащих концентрациях – не слишком больших и не слишком малых. Таким образом, питьевая вода не однообразное соединение двух молекул водорода с одной молекулой кислорода (H₂O), а сложный водно-минеральный раствор, насыщенный к тому же газами.

Второе – и очень важное! – обстоятельство заключается в том, что в древности люди брали воду прямо из родников, рек и озер, но со временем ситуация изменилась – по крайней мере, в цивилизованных странах. Однако еще в Древнем Риме был построен первый городской водопровод. Вместе с этим изобретением на свет родилась проблема: какие трубы лучше – свинцовые или обожженные глиняные? В античную эпоху и в Средневековье водопровод являлся, безусловно, экзотикой, чудесным изобретением, которым могли наслаждаться лишь жители немногих городов. Теперь – другое дело! Повсюду между источником воды и ее потребителем проложена водопроводная труба, и на одном ее конце – станция водоочистки, а на другом – кран на нашей кухне. Водоочистная станция может выпускать кондиционную, согласно ГОСТам, питьевую воду, но из нашего крана течет совсем иная жидкость, прошедшая многие километры по железным трубам.

Итак, нам уже ясно, что питьевая вода, прошедшая по трубам, нуждается в доочистке, которую, с тем или иным успехом, можно выполнить простыми средствами (фильтрация через марлю, отстаивание, кипячение) или с помощью бытового фильтра. Но ни один из бытовых фильтров не очищает воду полностью. Такого рода очистка – операция непростая, и выполняется она с помощью сложных многоступенчатых систем, в общем-то предназначенных для домашнего использования, но весьма дорогих и к тому же не дающих стопроцентной гарантии. Но все-таки от бытового фильтра отказываться не стоит – просто нужно знать его возможности.

Напомню, что питьевая вода – сложный водно-газоминеральный раствор. По своему составу она различна в разных местностях. Например, в Петербурге вода мягкая, в ней недостает кальция, а в Элисте (Калмыкия) вода жесткая, [1] следовательно, бытовые фильтры, пригодные для петербургской воды, не подойдут в Элисте. Есть и другие проблемы, связанные с использованием фильтров, например картриджи в фильтрах надо регулярно заменять или очищать (иначе они портят воду). Нельзя пользоваться старым фильтром, так как фильтр, который вы не использовали некоторое время, может превратиться в источник загрязнения питьевой воды. В общем, вы должны знать о своем фильтре все и пользоваться им правильно.

В далекой юности, лет сорок назад, я пил воду (тогда еще ленинградскую, а не петербургскую) из крана и ничем не болел. В молодые годы, женившись и обзаведясь потомством, я перешел на кипяченую воду – на этом настаивала моя предусмотрительная супруга. Но вот уже лет пятнадцать мы, не ограничиваясь кипячением, пользуемся различными бытовыми фильтрами. Первым из них был фильтр «Роса» с минеральным наполнителем. Затем мы испробовали другие фильтры, более компактные насадки на кран, включая «Аквафор В300». Однако в силу природного любопытства и профессиональной недоверчивости (я – физик, а физики ничего на веру не принимают) я сотни раз задавался уже обозначенным выше вопросом: какая вода получится после очистки с помощью фильтра? Долгие годы я мирился с этой неопределенностью, но наконец решил разобраться с этим вопросом. Толчком к этому послужило одно обстоятельство. Однажды, осенью 2001 года, я посмотрел одну телевизионную передачу. Ведущий, журналист Чернядьев, беседовал о воде и фильтрах с В.Я. Сквирским, и речи Вениамина Яковлевича, а также его незаурядная личность произвели на меня большое впечатление. Сквирский говорил о том, что воду в Петербурге очищают хорошо, однако в трубах вода подвергается вторичному загрязнению, поэтому нужно пользоваться бытовыми фильтрами. К сожалению, они у нас такие, что либо вообще ничего не чистят, но накапливают всякую дрянь, либо такие, которые что-то чистят, но дрянь все равно накапливают. Мне запомнились его слова: фильтр без электрического блока – это фильтр-убийца, который рано или поздно сольет вам в стакан целый зоопарк микробов. [2] Обеспокоенный такой возможностью, я отправился в магазин, и там мне сказали, что единственный фильтр с электропитанием, который есть в наличии, – «Изумруд» (установок «ЭКО-АТОМ» тогда еще в продаже не было). Еще добавили: вода после него такая отличная, что «аквафоровская» и рядом не лежала. И я купил «Изумруд», а потом заинтересовался, как он чистит воду, и из этого интереса родилась книга, которую вы держите в руках.

В работе над книгой мне помогали многие специалисты, и я считаю своим долгом поблагодарить:

Боровкова Н.В., заведующего отделом гигиены окружающей среды Центра горсанэпиднадзора в Петербурге; Королькову С.В., специалиста по фильтрам и водоочистке, директора филиала компании «Брита» в Петербурге; Кудряшову А., руководителя отдела рекламы компании «Аквафор»; Репнину Н.А., главного технолога компании «ЭКО-АТОМ»; Сквирского В.Я., основателя компании «ЭКО-АТОМ», инженера и литератора, опубликовавшего ряд статей о питьевой воде; Смирнова С.И. и Прозорова А.Д., оказавших мне большую помощь в работе с Интернетом; Флека А.И., руководителя отдела рекламы компании «Гейзер»; Холодкевича С.В., заведующего лабораторией НИЦ экологической безопасности РАН, а также представителя «Колпинской технической компании», пожелавшего остаться безымянным, и прочих специалистов, которые помогли разобраться со многими вопросами.

Глава 1 Значение воды в нашем мире и ее свойства

Воды являются важнейшим компонентом окружающей природной среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории.

Водный кодекс РФ, введение

Уникальность воды

В.И. Вернадский писал о воде так: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество ею проникнуто и охвачено».

В самом деле, три четверти поверхности нашего мира заняты водой – океанами, морями, озерами, реками, а пятая часть суши покрыта снегом и льдом. Пары воды присутствуют в атмосфере, сообщая ей влажность, формируют облака и тучи, проливаются на землю дождем. В почве и верхнем слое земной коры находятся подпочвенные воды и скрытые подземные водоемы. Наконец, животные и растения большей частью состоят из воды, в том числе и человек: вода составляет 70 % массы нашего тела. Пожалуй, в распространенности воды, в том, что водой все «проникнуто и охвачено», и заключается ее главнейшее уникальное свойство.

Вторым по значению свойством является способность воды растворять вещества. Вода – универсальный растворитель. Благодаря этому ее состав не исчерпывается формулой H₂O. В воде содержатся практически все элементы Периодической таблицы, а также газы, основания, кислоты, соли и органические вещества. Все прочие жидкости, которые мы пьем, или употребляем с пищей, или используем в быту и технике, – все, начиная от спирта, вина, духов, микстур и кончая электролитами, жидкими маслами и бензином, – являются водными растворами той или иной концентрации. При этом множество веществ, которые в газообразной или твердой фазе состоят из нейтральных молекул, в воде диссоциируют , то есть распадаются на ионы, а это ведет к изменению как их свойств, так и свойств самого раствора. Говоря простейшим языком, диссоциация резко увеличивает способность веществ вступать в химические и биохимические реакции. Огромное количество этих реакций, включая явление, называемое жизнью, протекает именно в водной среде.

Третье уникальное свойство воды заключается в том, что на Земле она присутствует одновременно в трех состояниях или, употребляя физическую терминологию, в трех фазах – газообразной, жидкой и твердой, то есть в виде водяного пара, собственно жидкой воды и льда. Не пытайтесь отыскать другое вещество, которое обладало таким же свойством! Возьмем, например, газ кислорода – он превращается в жидкость при температуре —183 °C, а в твердую фазу при –218 °C. Железо, твердый металл, становится жидкостью (расплавом) при +1539 °C, а в парообразное состояние переходит при огромной температуре +3200 °C. Примерно таким же образом ведут себя другие вещества, газообразные или твердые при том давлении и диапазоне температур, которые выдерживаются на Земле: давление – около 760 мм рт. ст., температура – от —50 до +50 °C. Немногие из нас помнят точки плавления железа и твердого кислорода и точки их кипения, но эти характеристики для воды мы затвердили наизусть, ибо на них основана температурная шкала Цельсия: 0 °C – точка плавления льда, +100 °C – точка кипения воды. Но вода с легкостью переходит в пар и при более низких температурах, о чем известно всякому: выстиранная ткань быстро высыхает, как и вымытая посуда. И мы, конечно, знаем о необычном свойстве воды расширяться при замерзании, о том, что лед легче воды, тогда как у остальных веществ все происходит наоборот: при охлаждении и переходе в твердую фазу их объем уменьшается.

Как видим, вода – уникальная субстанция!

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе имеет прямое отношение к теме данной книги, то есть к питьевой воде. Под действием солнечных лучей вода из открытых водоемов постоянно испаряется, а пар поднимается в воздух, формируя облака и тучи, которые очень подвижны: быстро распространяются воздушными массами. В тропических широтах Земли они затем проливаются дождями, а в областях умеренного климата, в зависимости от сезона, выпадают в виде дождя или снега. Нужно заметить, что эти процессы имеют поистине титанический масштаб: за год испаряется 450 тыс. км3 океанической воды, а с поверхности континентов – 70 тыс. км3. Эта влага затем выпадает с осадками: на поверхность мирового океана – 420 тыс. км3, а на сушу – 100 тыс. км3, но избыток континентальных вод переносится в океан реками. Если перейти к меньшему, чем год, временному периоду, то окажется, что за одну минуту испаряется 1 км3, или 1 млрд. т, воды, причем каждый грамм пара уносит в атмосферу 537 калорий солнечной энергии.

Принесенная дождем влага попадает обратно в водоемы (сразу из атмосферы, если, например, дождь шел над морем) либо пропитывает почву и частью испаряется, частью проникает в подпочвенные воды, частью стекает опять же в водоемы. Если осадки были в виде снега, то ничего, в сущности, не меняется: снега тают в урочный час, и талые воды проделывают тот же путь, что и дождевые.

Круговорот воды, включающий ливни, дожди, снегопады, наводнения и другие, был, при всех бедах, вызванных природными катаклизмами, в общем-то благоприятным для человека. Дожди и талые воды орошали землю, привносили в нее вещества, полезные как для диких растений, так и культурных, производили естественную санацию среды. После наводнений оставался плодородный ил. Но все это происходило в ту патриархальную эпоху, не знавшую стиральных порошков, химических удобрений и двигателей внутреннего сгорания, когда человеческая деятельность еще не стала природообразующим фактором, когда человек являлся частью среды обитания, а не стоял над ней, и все произведенные им отходы жизнедеятельности перегнивали или хоронились в земле, не порождая ядов и вредных химических загрязнений. В былые времена любые пресные воды, за исключением болотных, считались питьевыми. Была морская вода и просто вода, без всяких дополнительных определений: вода – это то, что можно пить. Теперь же мы говорим об особой разновидности воды – питьевой, и это не единственная перемена: вспомните, есть еще воды, подходящие и не подходящие для купания, есть воды сточные, есть кислотные дожди и сливы предприятий, к которым даже приближаться страшно. Теперь круговорот воды в природе прочно сцеплен с техногенной обстановкой – вот реальность, о которой нельзя забывать.

Состав воды Предварительный обзор

Нам уже известно, что вода – раствор, состоящий из множества химических веществ техногенного и природного, как правило минерального, происхождения. В воде присутствуют:

– отдельные химические элементы (точнее, их ионы) – легкие металлы (литий, натрий, калий, магний, кальций), более тяжелые металлы (хром, марганец, железо, цинк, ртуть, свинец и многие другие) и даже серебро, золото и радиоактивные элементы. Есть углерод, фосфор, сера, йод и другие металлоиды;

– газы – кислород, озон, фтор и хлор; могут быть даже метан, сероводород и радиоактивный газ радон. Газы придают воде тот или иной запах;

– неорганические вещества – соли, кислоты, щелочи (основания); [3]

– органические вещества, которых очень много (гораздо больше, чем неорганики); одни из них для нас относительно безвредны, другие нежелательны, а третьи – настоящий яд;

– не растворенные до конца механические примеси органического и неорганического происхождения (взвешенные вещества или взвеси) – песок, ил, ржавчина, частицы глины и так далее. Они сообщают воде мутность и при отстаивании дают осадок.

В данном случае я говорю о водах нашего современного мира, в которых могут присутствовать – и присутствуют – не только естественные компоненты, но также бытовые и промышленные отходы вроде фенола, хлорорганики и прочего, о чем лет двести тому назад не было даже известно. Здесь мы ограничимся кратким описанием состава воды, а в последующих главах подробно разберем состав питьевой воды, акцентируя внимание на том, какие примеси для нас полезны, а какие вредны. В этом разделе будет представлена классификация вод, чтобы окончательно обозначить предмет нашего разговора.

Если не касаться грязных стоков и ядовитых сливов, то воды издревле разделяются на соленые и пресные . В соленых водах, по сравнению с пресными, содержится повышенная концентрация солей, прежде всего натриевых. Для питья и промышленного использования они не пригодны, но отлично подходят для купания и водного транспорта. Солевой состав соленых вод в различных водоемах довольно сильно колеблется: например, в мелком Финском заливе воды менее соленые, чем в Черном море, а в океанах соленость значительно больше. Хочу напомнить, что соленая вода – необязательно морская. Известны бассейны с исключительно солеными водами, не имеющие сообщения с морем, такие, как Мертвое море в Палестине и соленое озеро Баскунчак.

Пресная вода содержится не только в реках и озерах, но еще в атмосфере (в виде водяного пара), в морских, речных и озерных льдах, в снегах и ледниках Антарктиды, Гренландии и других северных или гористых регионов, в почве (особенно в зоне вечной мерзлоты) и в подземных водных бассейнах. В пресных водах, по сравнению с морскими, меньше концентрация солей. Они отличаются по двум основным органолептическим показателям – запаху и вкусу. Однако и запах, и вкус могут варьироваться в широком диапазоне. Пресные воды в зависимости от состава делятся на две большие группы: обычная вода и минеральная , то есть вода с повышенным содержанием полезных неорганических компонентов. Подробнее мы их рассмотрим во второй главе, а сейчас я замечу, что под обычной пресной водой понимается такая, которая по своему составу в общем и целом удовлетворяет потребности человеческого организма в минеральных веществах. Следует, однако, помнить, что пресные воды в разных бассейнах и даже в одной и той же реке, но на разных ее участках отличны друг от друга, и эти отличия обусловлены геологическими и географическими причинами: характером почв (песчаных, глинистых, торфяных и т. д.), горными породами, выстилающими русло реки, составом вод притоков и, конечно, климатом, от которого зависят режимы половодья, пополнение рек и озер дождями, тающим снегом и водами ледников, если таковые имеются поблизости. Поэтому, кроме обычных пресных вод (обычных в указанном выше смысле), надо выделить воды ущербные , в которых не хватает какого-либо нужного для жизнедеятельности компонента или, наоборот, чего-то слишком много, и этот избыток влияет на организм не самым лучшим образом. Подобные факты хорошо известны. Так, недостаток фтора отражается на состоянии зубов, недостаток йода ведет к болезни щитовидной железы, слишком мягкая вода – к сосудистым заболеваниям, а при недостатке цинка, необходимого для формирования скелета и кожных покровов, дети вырастают недоразвитыми карликами. Тот или иной химический элемент – скажем, молибден, ванадий или никель – нужен нам в ничтожно малых количествах. Но при их отсутствии в организме могут произойти сбои. Необходимые минеральные вещества мы получаем из трех источников – с пищей, искусственными препаратами и на 10–20 % с водой.

Выше я говорил о составе естественных пресных вод, но наша хозяйственная и бытовая деятельность добавляет к ним тысячи веществ, характеристика которых варьируется от термина «нежелательная примесь» до определения «яд». В дальнейшем мы рассмотрим подробнее основные группы этих соединений, а сейчас я укажу на три главных их источника. Во-первых, это та часть бытовых отходов, поступающих в канализацию, которая называется ПАВ – поверхностно-активные вещества , входящие в состав синтетических моющих средств и стиральных порошков (обычное мыло большого вреда не приносит). Во-вторых, промышленные сливы предприятий, прежде всего химических и металлургических, которые могут содержать ртуть, мышьяк, радиоактивные компоненты, кислоты, фенол и множество иных вредных примесей. В-третьих, остатки пестицидов, которые переносятся с полей в водоемы талыми и подпочвенными водами. Напомню, что пестициды – химические средства, часто токсичные, применяемые в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и сорняками.

Кроме органических и неорганических веществ, перечисленных в начале данного раздела, в воде присутствуют также болезнетворные микробы (бактерии) и вирусы.

Бактерии и вирусы – два разных болезнетворных начала, и для нас, если не вдаваться в тонкости, они различаются по одному параметру: размер бактерий – 1—100 мкм, [4] а вирусов – 0,2–1,2 мкм. Эти микроорганизмы активно размножаются в городских канализационных водах.

Краткий экскурс в физику

Чтобы разобраться со свойствами воды, нам необходимо вспомнить кое-что из школьной программы по физике и химии, а если говорить точнее, химии неорганической и физики атомной и молекулярной. [5] Напомню основные факты из этих отраслей знания.

Как мы знаем, все тела состоят из атомов и молекул. Атомы, мельчайшие компоненты вещества, обладают ядром, окруженным электронными оболочками. Ядро мы будем представлять в виде сферы, состоящей из тяжелых элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов . Суммарный заряд протонов (т. е. заряд ядра) определяет конкретный элемент: ядро с одним протоном – водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с двадцатью шестью – железо, с девяносто двумя – уран. Нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов: у урана – 146 нейтронов, у железа – 30, у лития – 4 и т. д. Исключения – самые легкие элементы – водород и гелий: у гелия два протона и два нейтрона, а ядро водорода в большинстве случаев – это один-единственный протон. Однако количество нейтронов в ядре может колебаться, и по этой причине каждый элемент известен нам в виде нескольких изотопов, стабильных или нестабильных , то есть склонных к радиоактивному распаду. Выше были перечислены стабильные изотопы водорода, гелия и других элементов – их в земной коре и водах подавляющее большинство. Но есть и другие изотопы, например у водорода: дейтерий D – в ядре протон и нейтрон, тритий T – в ядре протон и два нейтрона.

Атомное ядро окружают легкие элементарные частицы, отрицательно заряженные электроны ; в первом приближении можно считать, что они вращаются вокруг ядра по близким и более удаленным орбитам, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Заряд электрона отрицательный и равный по абсолютной величине заряду протона; электронов в атоме столько же, сколько протонов, и поэтому атом в целом электронейтрален. На сегодняшний день нам известно чуть более сотни различных элементов, от водорода до радиоактивных менделевия, нобелия и лоуренсия, и все они представлены в Периодической таблице.

Эту таблицу можно уподобить алфавиту, а атомы – буквам, из которых составляются слова-молекулы. Можно сказать, что совокупность слов – это человеческий язык, а совокупность различных молекул (то есть различных веществ) – это язык природы. В природе вещества редко присутствуют в своем атомарном состоянии, в виде атомарного водорода, кислорода или железа; в большинстве случаев они объединяются в молекулы или кристаллы, образуя газы, жидкости и твердые тела. Так, два атома водорода объединяются в молекулу H₂ (газ водород), два атома кислорода – в молекулу О2 (газ кислород). Наконец, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода и образуют жидкость H₂O – воду.

В чем причина этой необоримой тяги атомов к слиянию в молекулы? Всем нам известен закон сохранения энергии , из которого следует, что энергия не создается и не уничтожается, а только переходит из одного состояния в другое. Это – главный физический закон. Второй по значимости, пожалуй, принцип минимума энергии , согласно которому всякое вещество строится так, и всякий процесс осуществляется таким образом, чтобы при этом была затрачена минимальная энергия. Молекула H₂ имеет меньшую энергию, чем два свободных атома водорода, молекула H₂O – меньшую, чем два атома водорода и один атом кислорода. Отсюда многообразие веществ в окружающем нас мире. Иными словами, есть фундаментальный закон, повинуясь которому атомы-буквы складываются в молекулы-слова.

Связь атомов в молекуле осуществляют электроны внешней (валентной) оболочки. Виды этих связей весьма разнообразны, но основные таковы: ионная и ковалентная . В случае ионной связи один атом отдает электроны, а другой их присоединяет, и в результате образуются два иона, положительный и отрицательный. Например, поваренная соль NaCname = "note" натрий отдает один электрон, хлор его присоединяет, и это обозначается как Na+и Cl–. Значит, ион – это атом, у которого один или несколько (обычно до четырех) электронов отняты или присоединены, в результате чего он превратился в частицу с положительным (катион) или отрицательным (анион) зарядом. В первом приближении можно считать, что молекула или кристалл с ионной связью цементируются электрическими силами – притяжением разноименно заряженных ионов (анионов и катионов) друг к другу и отталкиванием их электронных оболочек.

В случае ковалентной связи , которая реализуется, например, в молекулах H₂ и O₂, внешние электроны как бы обобществляются, кружась по орбитам, которые «обтекают» оба (или большее число) составляющих молекулу атома. Существуют промежуточные типы связей между ковалентной и ионной, а кроме того, оба типа связи могут иметь место в одной молекуле. Вспомним о серной кислоте H₂SO₄: сера связана с четырьмя атомами кислорода ковалентно, и этот блок (кислотный остаток, ион SO4–2) соединен с двумя атомами водорода ионными связями.

В завершение этого раздела напомню о предметах неорганической и органической химии. К неорганике , в интересующем нас аспекте, относятся металлы и сплавы, стекла, керамика, газы и все минералы, которых на сегодняшний день известно около пяти тысяч (включая доставленные с Луны); всего же неорганических соединений тысяч сорок-пятьдесят или более того, по разным оценкам.

Органическая химия – это, по сути дела, химия соединений углерода, способного образовывать кольца и цепочки их атомов. Благодаря этой способности соединений на основе углерода великое множество, в десять или двадцать раз больше, чем неорганических. Молекулы соединений углерода, в свою очередь, могут состоять из сотен, тысяч и десятков тысяч атомов, что вовсе не удивительно: ведь углеродные соединения – основа жизни! К ним относятся дерево, бумага, ткани, пластики, нефть, компоненты питания (белки, жиры, сахара-углеводы и витамины), молекулы ДНК. Весь растительный и животный мир в своей основе имеет углеродные соединения. Потенциально опасными для нас являются любые пластики, в том числе искусственные полимерные материалы (полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, полиуретан и т. д.) – высокомолекулярные соединения, которые в процессе старения распадаются на токсичные блоки-мономеры, среди которых могут оказаться фенол и его производные, формальдегид и даже цианиды.

Насколько опасными являются для нас полимеры, покажет следующий пример. Возьмем механический фильтр, который представляет собой в первом приближении мелкоячеистую сетку, или множество таких сеток, или некий материал с очень маленькими порами в 1 мкм (такие материалы уже существуют). Есть надежда, что данный фильтр задержит не только взвешенные частицы (то есть попросту грязь), но через него не пройдут бактерии и крупные вирусы, размеры которых 1 мкм и более; если же в будущем удастся уменьшить поры до 0,1 мкм, то мелкие вирусы (0,2–1 мкм) тоже не проскользнут. А полимеры? Ведь длина полимерной цепочки (то есть линейный размер молекулы) достигает 0,1–0,8 мкм, что сравнимо с величиной вируса! Неужели наш чудо-фильтр задержит и эти гигантские молекулы? Не тут-то было! Полимер, как отмечено выше, стареет и распадается на мономеры, величина которых гораздо меньше, а токсичность и реакционная способность гораздо больше. С помощью механического фильтра от них не избавишься, нужны другие методы.

Свойства воды

Обратимся теперь к свойствам воды и рассмотрим ее с точки зрения основных наук – физики, химии и др.

Молекула воды H₂O имеет форму тупоугольного треугольника (рис. 1) , с углом между двумя связями кислород-водород примерно 104°. Электроны водородных атомов оттянуты к кислороду, так что «водородные углы» треугольника несут избыток положительного заряда, а «кислородный угол» – отрицательного. В результате «водородные углы» одной молекулы взаимодействуют с «кислородными углами» других молекул, и такая химическая связь (она называется водородной) объединяет молекулы воды в своеобразный пространственный полимер. Иными словами, хотя вода – жидкость, ее молекулы находятся не в хаотическом состоянии, а образуют некое подобие правильной структуры (что, вообще говоря, свойственно лишь кристаллам).

Рис. 1. Молекула воды

Благодаря этой особенности вода имеет высокую теплоемкость, то есть способна поглощать большие количества тепла (в первую очередь солнечной энергии) и оставаться при этом жидкостью. А это с точки зрения географии, геологии и метеорологии означает, что вода является главным климатообразующим фактором на нашей планете. Ранее уже говорилось о круговороте воды в природе. К этому нужно добавить следующее: воды океанов, морей, рек и озер являются гигантскими аккумуляторами тепла, причем в некоторых случаях это тепло доставляется из тропических областей в умеренные зоны очень быстро и эффективно. Вспомним Гольфстрим, «отопительную печь» Западной Европы, климат которой, на тех же широтах, гораздо мягче российского.

Коснусь еще нескольких общеизвестных, но очень важных свойств воды. Как упоминалось выше, существует три изотопа водорода: водород H (или протий), устойчивый дейтерий D и радиоактивный тритий T. Кроме того, в природе существует три изотопа кислорода. В результате различных комбинаций изотопов водорода с изотопами кислорода можно получить 42 различных вида воды. Наиболее знакомые нам – обычная вода H₂O и так называемые тяжелая (дейтериевая) D₂O и сверхтяжелая (тритиевая) T₂O вода. На Земле тритий присутствует в ничтожно малых количествах, а вот дейтерия довольно много – один атом D на 6700 атомов H, и это означает, что тяжелой воды в обычной весьма заметное количество – 150–160 г/т. С этим наш организм еще справляется, но вообще тяжелая вода для нас не слишком полезна.

Свойства воды как универсального растворителя определяются ее большой диэлектрической проницаемостью (для воздуха – 1, для воды – 80). Это означает, что разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу в воде в восемьдесят раз слабее, чем в воздухе, и, соответственно, во столько же раз ослабевают силы межатомного сцепления в молекулах и твердых телах (вспомните про ионную связь!). Молекулы и кристаллы распадаются на ионы. Данное явление, называемое диссоциацией , можно описать иначе. Представьте картинку из школьного учебника химии (рис. 2), где молекулы воды изображены в виде маленьких огурцов-диполей, [6] молекула инородного вещества – в виде огурца-диполя побольше, причем диполи воды развернуты положительными концами к отрицательному концу инородной молекулы и отрицательными концами к ее положительному концу. Таким образом, диполи воды как бы разрывают электрическими силами ионную связь в молекуле вещества, превращая его в ионы. В результате кристалл поваренной соли NaCl растворяется, диссоциирует и присутствует в воде в виде ионов Na+и Cl–, а серная кислота H₂SO₄ распадается на катион водорода H+и анион кислотного остатка SO4-2. Молекулы воды тоже диссоциируют на ионы H+и OH—, но в очень слабой степени.

Почему нам так важно разобраться с описанным выше явлением и запомнить, что множество веществ, растворяясь в воде, преобразуются в ионы? Потому, что способность ионов вступать в химические и биохимические реакции гораздо выше, чем у молекул. Молекулы электронейтральны, а ионы несут положительный или отрицательный заряд. Отличаясь большой активностью, они не упустят возможности отдать лишний или присоединить недостающий электрон. Вода является изолятором, но раствор соли или кислоты в воде – это электролит, который отлично проводит электрический ток. В этом легко убедиться, опустив в раствор электроды и подав на них напряжение. Наша питьевая вода с точки зрения физики и химии не что иное, как слабый электролит, в котором концентрация солей не должна превышать 1 г/л.

Рис. 2. Процесс диссоциации

В силу своей способности ослаблять межатомные и межмолекулярные связи вода является великим разрушителем, способным растворить что угодно: одни вещества – соль, сахар, всевозможные газы – со зримой быстротой, другие – металлы, твердые горные породы – более медленно, незаметно для глаза, но неотвратимо. Поэтому, например, не может быть идеальной дистиллированной воды – попав в сосуд, она тут же начинает растворять его стенки, и среди молекул H₂O появляется ничтожная примесь инородных молекул материала сосуда. В заключение напомню еще об одном замечательном свойстве воды. Если расплавить любое твердое тело, то его объем увеличится, а это означает, что плотность всех твердых тел больше плотности соответствующих жидкостей, то есть они тонут в своих расплавах. У воды же все наоборот! При охлаждении и превращении в твердую фазу объем воды увеличивается, а плотность уменьшается – то есть лед не тонет, а плавает в воде. В противном случае, если бы лед тонул, все наши водоемы промерзали бы зимой до самого дна и были бы безжизненными. В том числе и Ледовитый океан, который являлся бы такой же многокилометровой толщей льдов, как Антарктида.

Глава 2 Источники воды и ее виды

В Российской Федерации устанавливается государственная собственность на водные объекты.

Водный кодекс РФ, статья 34

Лицензия на водопользование является актом специально уполномоченного государственного органа управления использованием и охраной водного фонда.

Водный кодекс РФ, статья 48

Источники воды

Чтобы вы могли представить, сколько и какой воды имеется на нашей планете, предлагаю вашему вниманию табл. 2.1. Воды у нас столь много, что измерять ее литрами, кубометрами или тоннами крайне неудобно, и мы будем использовать меру поистине титаническую – кубический километр (км3). Всего воды на Земле около полутора миллиардов, или 1500 млн. км3 воды.

Таблица 2.1. Распределение вод на земном шаре (единица измерения – миллион кубических километров)

Примечание . Данные в таблице приведены по минимуму и максимуму, с учетом разных оценок.

Итак, мы видим, что пресные воды, то есть воды на суше и в атмосфере, составляют порядка 10 % полного планетарного ресурса. Большая их часть – и это может вызвать удивление – находится не в открытых водоемах, а в земной коре: 110–190 млн. км3! Эти воды принято делить на два типа в соответствии с глубиной их залегания. Подземные воды глубокого залегания расположены в десятках-сотнях метров от поверхности земли, они пропитывают пористые горные породы, а также образуют гигантские подземные бассейны, окруженные водонепроницаемыми слоями. Нередко вода в этих подземных полостях находится под давлением, и, если пробиться к ним с помощью буровой установки, вода брызнет вверх фонтаном. Такие фонтаны-гейзеры и родники природного происхождения хорошо известны.

Другой тип подземных вод – те, которые расположены 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 всем, что на нее сливают, выбрасывают или в нее закапывают; они гораздо слабее защищены от загрязнений, чем воды глубокого залегания. Преимущество : эти воды нам гораздо доступнее, они выступают в любой яме или канаве, и мы можем черпать их из колодцев.

Следующий по величине массив пресных вод (20–30 млн. км3) сосредоточен в ледниках Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана. Пресную воду из атмосферы (всего 13 тыс. км3) мы получаем в виде осадков – дождя и снега. Основной запас пресной воды, употребляемой человеком, сосредоточен в озерах [7] и реках, причем надо учитывать, что, хотя реки протяженнее озер, их объем намного меньше. В живых организмах, то есть в растениях и животных (которые, напомню, на две трети состоят из воды), содержится 6 тыс. км3 воды – величина, вполне сравнимая с объемом рек. Последнее не должно удивлять: одномоментный объем рек – это статика, а если рассматривать динамику, то лишь реки России переносят за год в океан 4 тыс. км3 воды.

Так распределены водные ресурсы на нашей планете. Проанализировав данные таблицы, можно сделать вывод, что для питья, бытовых и промышленных нужд более доступными являются прежде всего воды озер и рек, снабжающие нас пресной водой не время от времени, а постоянно и с гарантией. К тому же эти запасы мы можем легко оценить и сопоставить с нашими сегодняшними и перспективными потребностями.

Доступны также и подземные воды обоих типов. Однако для крупных городов подземных вод недостаточно. В принципе, можно разведывать большие бассейны глубокого залегания и бурить скважины, но это дорого. К тому же кто гарантирует, что такой бассейн обнаружится вблизи населенного промышленного города? Будет ли вода в нем подходящей для питья, и не случится ли геологической катастрофы, если мы начнем изымать эту воду в больших количествах?

Осадки, то есть дождь и снег, также являются источниками пресной воды. Но это непостоянный, капризный источник, удовлетворяющий в основном потребности сельского хозяйства.

Значит, все-таки остаются реки и озера, и при этом реки для нас удобнее озер: воды в них меньше, но, как я уже упоминал, они гораздо протяженнее. Собственно, большая часть нашей цивилизации сосредоточена в речных долинах – обстоятельство, оставшееся неизменным со времен Древнего Египта, Аккада и Шумера. [8]

Виды пресной воды

Перед тем как перейти к рассмотрению видов пресной воды, остановимся на их главном назначении: они – источник утоления жажды. Когда она настигает нас, мы не можем думать ни о чем, кроме воды. Тогда любая пресная вода – хоть из грязной речки, хоть из лужи – становится для нас питьевой. Если мы не можем удовлетворить жажду в течение нескольких дней, нас ожидает гибель. Число дней определяется погодой и климатом: жарким, сухим или влажным.

Мы, как и любые животные, находимся в состоянии непрерывного водного обмена с окружающей средой: выделяем пот и мочу и восполняем водные потери пресной влагой. 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 всего лишь 10 % от массы тела, произойдут нарушение речи, зрения и слуха, затем – бред, галлюцинации и потеря сознания. Гибель наступает от необратимых изменений в нервной и сердечно-сосудистой системах при водопотере 15–25 % от массы тела (в зависимости от температуры окружающей среды).

Такова смерть от жажды, и она тем более трагична, когда происходит в море или в океане, полном воды, – но соленой! Однако многие, наверное, помнят о путешествии Алена Бомбара, французского исследователя, переплывшего Атлантический океан в надувной лодочке и утолявшего жажду морской водой и соком, выдавленным из рыбы. Возможно ли это? Как исключение – да! Но только как исключение, как способ спасти свою жизнь в экстремальной ситуации, ибо длительный срок мы не можем пить соленую воду.

В морской и океанской воде присутствуют сульфат и карбонат кальция, хлорид, сульфат и бромид магния, но в небольших количествах. Почти 85 % морских и океанских солей – это хлорид натрия, обычная поваренная соль. По насыщению солями вода различна в разных морях и океанах. Я ощутил это на собственном опыте, купаясь в Балтийском, Черном и Средиземном морях. Финский залив почти пресноводный: в 1 л его воды 3–4 г солей, в Черном море – 15–18 г/л, в океане – до 35 г/л, а, например, в Красном море – 40 г/л. Плавать удобно, но пить нельзя. Человеку жизненно необходимы соли калия, натрия, магния, кальция и других элементов, но в умеренных дозах. Мы не можем пить воду с содержанием солей больше 2,5 г/л.

Почему? Для сохранения в организме солевого равновесия человеку требуется 15–25 г соли в день – в основном NaCl, которую мы получаем с пищей. При избытке соль выводится с мочой через почки, [9] но для вывода одного лишнего грамма соли надо выпить 100 г воды.

Ну, теперь вы убедились, что без воды, как поется в песне, «не туды и не сюды»? Только надо уточнить – без пресной воды.

В главе 1 я упомянул о том, что пресную воду можно разделить на две группы: обычная и минеральная . Причем в рамках каждой группы вода сильно отличается по составу в связи с геологическими и географическими причинами. Эта классификация справедлива для вод естественного происхождения, но, помимо них, существуют искусственные воды, создаваемые человеком целенаправленно или в качестве отходов хозяйственной деятельности. Целенаправленно мы производим искусственные минеральные воды, опресненную воду (из морской) и дистиллированную воду, а также особые воды, насыщенные тем или иным компонентом, например серебряную . Что же касается жидких отходов, то их именуют сливами, сбросами и сточными водами. Разумеется, сточные воды нельзя отнести ни к пресным, ни к соленым морским, но в рамках этой книги нам необходимо с ними ознакомиться. Итак, если учесть все эти группы вод, то наша первичная классификация будет более или менее полной. Начнем рассмотрение с дистиллированной воды.

Дистиллированная вода

Дистиллированная вода – это чистая H₂O, а если говорить точнее, вода с ничтожными, практически неопределимыми химическими и физическими методами примесями инородных веществ. Используется она лишь для медицинских или исследовательских целей, например для того, чтобы вымыть пробирки для проведения тонких химических опытов. Ее производят путем выпаривания обычной пресной воды с последующей конденсацией пара. Точно так же мы можем поступить с морской водой, чтобы избавить ее от солей и минеральных включений. Дистиллированную воду можно вырабатывать в домашних условиях, сделав самодельный дистиллятор либо купив специальную установку. Но я вам не советую этим заниматься – дистиллированная вода для нас совершенно бесполезна: она не поддерживает жизненно важных процессов в организме человека и животного. Как уже не раз упоминалось, необходимая нам питьевая вода вовсе не идеально чистый субстрат, а раствор, содержащий минеральные добавки. В этих добавках – железе, меди, солях натрия, калия, кальция и других элементах – главная суть. Если мы не получим их в нужном количестве через воду, возникнут различные функциональные расстройства: нарушение сердечного ритма, головные боли, мышечные судороги, а также проблемы с зубами и костными тканями. Словом, дистиллированная вода, не содержащая солей, способна разбалансировать работу нашего организма.

Дистиллированную воду пьют, компенсируя отсутствие в ней нужных веществ специальной диетой, сыроедением, овощами, фруктами, препаратами микроэлементов и т. д. Именно такой вариант предложил всемирно известный диетолог Поль Брэгг. Сегодня эта идея стала еще более конструктивной: так, на Западе появились фирмы, поставляющие дистиллированную воду для питья, а к ней – таблетки с полным набором жизненно необходимых минеральных веществ. Выпил водички с таблеткой – и питайся как хочешь, без всяких диет.

Однако не будем экспериментировать, будем подчиняться природе и пить воду рек, озер и родников – ту воду, которую пили наши пращуры. Только сначала очистим ее от всякой дряни.

Обычная пресная вода

Как уже упоминалось, пресные воды рек и озер, нашего основного источника водоснабжения, различны. Эти различия возникли изначально и связаны с климатической зоной и особенностями местности, в которой находится водоем. Вода – универсальный растворитель, а это значит, что ее насыщенность минералами зависит от почвы и залегающих под нею горных пород. Кроме того, вода подвижна, и, следовательно, на ее состав влияют выпадающие осадки, таяние снегов, половодье и притоки, впадающие в более крупную реку или озеро. Взять, например, Неву, основной источник питьевой воды Петербурга: в основном ее питает водой Ладожское озеро, одно из самых пресных озер мира. Ладожская вода содержит мало солей кальция и магния, что делает ее очень мягкой, мало в ней алюминия, марганца и никеля, зато довольно много азота, кислорода, кремния, фосфора. Наконец, микробиологический состав воды зависит от водной флоры и фауны, от лесов и лугов на берегах водоема и еще от множества других причин, не исключая факторы космического свойства. Так, патогенность микробов резко возрастает в годы солнечной активности: прежде почти безвредные становятся опасными, а опасные – просто смертельными.

Я, петербуржец в третьем поколении, пил пресную воду из Днепра и Волги, из Дона и Кубани, пил воду в Москве, Норильске, Иркутске, Владивостоке, Праге, Нью-Йорке, Берлине и во многих других местах, но вся эта вода – за исключением, пожалуй, воды южного побережья Крыма, казалась мне непривычной и невкусной. Случайность ли это? Видимо, нет. Наш организм адаптирован к воде родины, она пропитывает, формирует нас, и нет ее вкусней и слаще, но при том условии, что она чистая.

Понятие чистоты, если вспомнить о многообразии пресных вод, на самом деле очень неоднозначно. (В следующей главе будут приведены российские и зарубежные стандарты на питьевую воду.) Существует несколько важных показателей качества пресной природной воды: кислотность pH (или водородный показатель), жесткость и органолептика .

pH связана с концентрацией ионов водорода в среде, измеряется с помощью простого прибора «пэ-аш-метра» и дает нам понятие о кислотных или щелочных свойствах среды (в данном случае – воды):

pH < 7 – кислая среда;

pH = 7 – нейтральная среда;

pH > 7 – щелочная среда.

Это очень важный показатель, причем не только для обыкновенной или минеральной воды, но и для человеческого организма, кислотный баланс которого должен выдерживаться в очень жестких рамках: допустимые значения pH составляют от 7,38 до 7,42 и не могут отклоняться даже на 10 % от этого диапазона. При pH = 7,05 человек впадает в предкоматозное состояние, при pH = 7,00 наступает кома, а при pH = 6,80 – смерть.

Жесткостью называется свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция Ca2+и магния Mg2+. Жесткость определяют по специальной методике, описанной в ГОСТах на питьевую воду, а единицы ее измерения – моль на кубический метр (моль/м3) или миллимоль на литр (ммоль/л).

Различаются несколько видов жесткости – общая, карбонатная, некарбонатная, устранимая и неустранимая; в дальнейшем мы будем говорить об общей жесткости , связанной с суммой концентраций ионов кальция и магния.

Под органолептическими характеристиками воды понимаются ее запах, вкус, цвет и мутность. Запах определяют, нюхая воду (землистый, хлорный, запах нефтепродуктов и т. д.) и оценивая интенсивность запаха по пятибалльной шкале (ноль соответствует полному отсутствию запаха):

1 – очень слабый, практически неощутимый запах;

2 – запах слабый, заметный лишь в том случае, если обратить на него внимание;

3 – запах легко замечается и вызывает неодобрительный отзыв о воде;