Химия вокруг нас

Юрий Кукушкин

Химия вокруг нас

Дата публикации: 28 декабря 2002 года

Электронная версия: © НиТ. Раритетные издания, 1998

Предисловие

Повсюду, куда бы ни обратил свой взор, нас окружают предметы и изделия, изготовленные из веществ и материалов, которые получены на химических заводах и фабриках. Кроме того, в повседневной жизни, сам того не подозревая, каждый человек осуществляет химические реакции. Например, умывание с мылом, стирка с использованием моющих средств и др. При опускании кусочка лимона в стакан горячего чая происходит ослабление окраски — чай здесь выступает в роли кислотного индикатора, подобного лакмусу. Аналогичное кислотно-основное взаимодействие проявляется при смачивании уксусом нарезанной синей капусты. Хозяйки знают, что капуста при этом розовеет. Зажигая спичку, замешивая песок и цемент с водой или гася водой известь, обжигая кирпич, мы осуществляем настоящие, а иногда и довольно сложные химические реакции. Объяснение этих и других широко распространенных в жизни человека химических процессов — удел специалистов. В данной же книге происходящие процессы рассмотрим с точки зрения потребителя.

Приготовление пищи — это тоже химические процессы. Не зря говорят, что женщины-химики часто очень хорошие кулинары. Действительно, приготовление пищи на кухне иногда напоминает выполнение органического синтеза в лаборатории. Только вместо колб и реторт на кухне используют кастрюли и сковородки, но иногда и автоклавы в виде скороварок. Не стоит далее перечислять химические процессы, которые проводит человек в повседневной жизни. Необходимо лишь отметить, что в любом живом организме в огромных количествах осуществляются различные химические реакции. Процессы усвоения пищи, дыхания животного и человека основаны на химических реакциях. В основе роста маленькой травинки и могучего дерева также лежат химические реакции.

Таким образом, заглавие книги определяет ее содержание. Но автор должен признаться, что оно не совсем точное. Химия — это наука, важная часть естествознания. Строго говоря, наука не может окружать человека. Его могут окружать результаты практического приложения науки. Это уточнение весьма существенное. В настоящее время часто можно слышать слова: «химия испортила природу», «химия загрязнила водоем и сделала его непригодным для использования» и т.д. На самом же деле наука химия здесь вовсе непричем. Люди, используя результаты науки, плохо оформили их в технологический процесс, безответственно отнеслись к требованиям правил безопасности и к экологически допустимым нормам промышленных сбросов, неумело и не в меру использовали удобрения на сельскохозяйственных угодьях и средства защиты растений от сорняков и вредителей растений. Любая наука, особенно естествознание, не может быть хорошей или плохой. Наука — накопление и систематизация знаний. Другое дело, как и в каких целях используются эти знания. Однако это уже зависит от культуры, квалификации, моральной ответственности и нравственности людей, не добывающих, а использующих знания.

Без продуктов химической промышленности современному человеку не обойтись, так же как нельзя обойтись без электричества. Такая же ситуация и с продуктами химической промышленности. Нужно протестовать не против некоторых химических производств, а против их низкой культуры.

Культура человека — сложное и разноплановое понятие, при котором возникают такие категории, как умение человека вести себя в обществе, правильно владеть родным языком, следить за опрятностью своей одежды и внешним видом и т.д. Однако мы часто говорим и слышим о культуре строительства, культуре производства, культуре ведения сельского хозяйства и т.д. Действительно, когда речь заходит о культуре Древней Греции или еще более ранних цивилизациях, то прежде всего вспоминают о ремеслах, которыми владели люди той эпохи, какие орудия труда они использовали, что умели строить, как умели украшать строения и отдельные предметы.

Многие важные для человека химические процессы были открыты задолго до того, как химия оформилась в науку. Значительное количество химических открытий было сделано наблюдательными и любознательными ремесленниками. Эти открытия переходили в семейные или клановые секреты и далеко не все дошли до нас. Часть из них была утеряна для человечества. Приходилось и приходится затрачивать огромный труд, создавать лаборатории, а иногда и институты для раскрытия секретов древних мастеров и их научного толкования.

Многие не знают, как устроен телевизор, но успешно пользуются им. Однако знание устройства телевизора никогда и никому не помешает в правильной его эксплуатации. Так и с химией. Понимание сущности химических процессов, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, может принести человеку только пользу.

Естественно, что в этой небольшой книге не ставится задача обучить химии. Однако хотелось бы, чтобы материал, представленный в виде отдельных рассказов, смог бы заинтересовать читателя (любого возраста) этой наукой и ее прикладными аспектами. В жизни приходится выполнять много функций, не связанных с основной специальностью: строить дом, обрабатывать садовый участок, окрашивать ткань и выводить с нее пятна и т.д. Как уже было сказано, культура — понятие многоплановое, но любая ее составляющая основана на знаниях, на информированности, на грамотности. Автор был бы весьма удовлетворен, если прочитав или пролистав книгу, читатель мог бы сказать самому себе, что его химическая грамотность поднялась на более высокий уровень. Наибольшее удовлетворение автор испытал бы, узнав, что кто-то из читателей, заинтересовавшись изложенным, взял в руки более строгое и по научному более глубокое химическое издание.

Автор благодарит рецензентов книги профессора Б.Д. Степина и Я.А. Угая за ценные замечания и пожелания, способствовавшие улучшению книги.

Автор

Вода

Вода в масштабе планеты. Человечество издавна уделяло большое внимание воде, поскольку было хорошо известно, что там, где нет воды, нет и жизни. В сухой земле зерно может лежать многие годы и прорастает лишь в присутствии влаги. Несмотря на то, что вода — самое распространенное вещество, на Земле она распределена весьма неравномерно. На африканском континенте и в Азии имеются огромные пространства, лишенные воды, — пустыни. Целая страна — Алжир — живет на привозной воде. Воду доставляют на судах в некоторые прибрежные районы и на острова Греции. Иногда там вода стоит дороже вина. По данным Организации Объединенных Наций, в 1985 г. 2,5 млрд населения земного шара испытывали недостаток в чистой питьевой воде.

Поверхность земного шара на 3/4 покрыта водой — это океаны, моря; озера, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в земной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд км3. Основное количество воды содержится в океанах (около 97,6%), в виде льда на нашей планете воды имеется 2,14%. Вода рек и озер составляет всего лишь 0,29% и атмосферная вода — 0,0005%.

Вода находится в постоянном и активном кругообороте. Его движущей силой является Солнце, а основным источником воды — Мировой океан. Почти четверть всей падающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды с поверхностей водоемов. Ежегодно таким образом в атмосферу поднимается 511 тыс. км3 воды, из них с поверхности океана 411 тыс. км3. Примерно 2/3 атмосферной воды возвращается в виде осадков обратно в океан, а 1/3 выпадает на сушу. Годовое количество осадков в 40 раз превышает содержание водяного пара в атмосфере. Выпав сразу, они могли бы образовать на Земле слой толщиной 1 м. Эта вода пополняет ледники, реки и озера. В свою очередь, материковые поверхностные воды снова стекают в моря и океаны, растворяя встречающиеся им на пути породы. Увлажняющая почву вода всасывается корнями растений. Вместе с водой растения получают растворенные питательные вещества. В растениях она поднимается по стеблям и возвращается в виде пара в атмосферу через листья. Важным регулятором воды на суше являются горные ледники. Они отдают воду в основном в летние месяцы, когда происходит особенно интенсивное таяние горного льда и снега. Уместно отметить, что ледники — главное хранилище пресной воды на нашей планете. Подсчитано, что они содержат около 30 млн км3 пресной воды, в то время как все реки — не более 1,2 тыс. км3.

Таким образом, вода находится на Земле в постоянном движении. Среднее время ее пребывания в атмосфере оценивается 10 сутками, хотя и меняется с широтой местности. Для полярных широт оно может достигать 15, а в средних — 7 суток. Смена воды в реках происходит в среднем 30 раз в год, т.е. каждые 12 дней. Влага, содержащаяся в почве, обновляется за 1 год. Воды проточных озер обмениваются за десятки лет, а непроточных за 200...300 лет. Воды Мирового океана обновляются в среднем за 3000 лет. Из этих цифр можно получить представление о том, сколько времени необходимо для самоочистки водоемов. Нужно лишь иметь в виду, что если река вытекает из загрязненного озера, то время ее самоочистки определяется временем самоочистки озера.

Круговорот воды — исключительно важный процесс. Он обеспечивает сушу пресной водой, которая постоянно возобновляется. В процессе этого круговорота вода разрушает и растворяет твердые породы на суше и переносит их в другие места с образованием наносов. Конечно, в процессы разрушения и видоизменения поверхности Земли внесли свою лепту также ветер и вулканические извержения, солнечное воздействие и землетрясения, а позднее и живые организмы.

Таким образом, в жизни нашей планеты вода играла важную роль транспортного средства в геологических превращениях. Подземные воды постоянно ведут разрушительную и созидательную работу, формируя месторождения полезных ископаемых. Однако период наблюдения человечества за геологическими процессами столь короток, что изменения практически не заметны.

Вода в организме человека. Не очень легко представить, что человек примерно на 65% состоит из воды. С возрастом содержание воды в организме человека уменьшается. Эмбрион состоит из воды на 97%, в теле новорожденного содержится 75%, а у взрослого человека — около 60%.

В здоровом организме взрослого человека наблюдается состояние водного равновесия или водного баланса. Оно заключается в том, что количество воды, потребляемое человеком, равно количеству воды, выводимой из организма. Водный обмен является важной составной частью общего обмена веществ живых организмов, в том числе и человека. Водный обмен включает процессы всасывания воды, которая поступает в желудок при питье и с пищевыми продуктами, распределение ее в организме, выделения через почки, мочевыводящие пути, легкие, кожу и кишечник. Следует отметить, что вода также образуется в организме вследствие окисления жиров, углеводов и белков, принятых с пищей. Такую воду называют метаболической. Слово метаболизм происходит от греческого, что означает перемена, превращение. В медицине и биологической науке метаболизмом называют процессы превращения веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов. Белки, жиры и углеводы окисляются в организме с образованием воды H₂О и углекислого газа (диоксида углерода) CO₂. При окислении 100 г жиров образуется 107 г воды, а при окислении 100 г углеводов — 55,5 г воды. Некоторые организмы обходятся лишь метаболической водой и не потребляют ее извне. Примером является ковровая моль. Не нуждаются в воде в природных условиях тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса. Многие знают, что в условиях исключительно жаркого и сухого климата верблюд обладает феноменальной способностью долгое время обходиться без пищи и воды. Например, при массе 450 кг за восьмидневный переход по пустыне верблюд может потерять 100 кг в массе, а потом восстановить их без последствий для организма. Установлено, что его организм использует воду, содержащуюся в жидкостях тканей и связок, а не крови, как это происходит с человеком. Кроме того, в горбах верблюда содержится жир, который служит одновременно запасом пищи и источником метаболической воды.

Общий объем воды, потребляемый человеком в сутки при питье и с пищей, составляет 2...2,5 л. Благодаря водному балансу столько же воды и выводится из организма. Через почки и мочевыводящие пути удаляется около 50...60% воды. При потере организмом человека 6...8% влаги сверх обычной нормы повышается температура тела, краснеет кожа, учащается сердцебиение и дыхание, появляется мышечная слабость и головокружение, начинается головная боль. Потеря 10% воды может привести к необратимым изменениям в организме, а потеря 15...20% приводит к смерти, поскольку кровь настолько густеет, что с ее перекачкой не справляется сердце. В сутки сердцу приходится перекачивать около 10000 л крови. Без пищи человек может прожить около месяца, а без воды — всего лишь несколько суток. Реакцией организма на нехватку воды является жажда. В этом случае ощущение жажды объясняют раздражением слизистой оболочки рта и глотки из-за большого понижения влажности. Существует и другая точка зрения на механизм формирования этого ощущения. В соответствии с ней сигнал о понижении концентрации воды в крови на клетки коры головного мозга подают нервные центры, заложенные в кровеносных сосудах.

Водный обмен в организме человека регулируется центральной нервной системой и гормонами. Нарушение функции этих регуляторных систем вызывает нарушение водного обмена, что может приводить к отекам тела. Конечно, различные ткани человеческого организма содержат различное количество воды. Самая богатая водой ткань — стекловидное тело глаза, содержащее 99%. Самая же бедная — эмаль зуба. В ней воды всего лишь 0,2%. Много воды содержится в веществе мозга.

Регулятор климата. Океаны и моря являются регуляторами климата в отдельных частях земного шара. Суть этого заключается не только в океанических течениях, которые переносят теплую воду из экваториальных районов в более холодные (течение Гольфстрим, а также Японское, Бразильское, Восточно-Австралийское), но и противоположные им холодные течения — Канарское, Калифорнийское, Перуанское, Лабрадорское, Бенгальское. Вода обладает очень высокой теплоемкостью. Для нагревания 1 м3 воды на 1° требуется энергия, которая позволяет нагреть на такую же температуру 3000 м3 воздуха. Естественно, что при охлаждении водоемов эта теплота передается в окружающее пространство. Поэтому в районах, прилегающих к морским бассейнам, редко бывают большие перепады температур воздуха в летнее и зимнее время. Водные массы сглаживают эти перепады — осенью и зимой вода подогревает воздух, а весной и летом охлаждает.

Другой важной функцией океанов и морей является регулирование содержания в атмосфере углекислого газа (диоксида углерода). Его относительное содержание в атмосфере невелико и составляет всего лишь 0,03...0,04%. Однако общая масса, заключающаяся в атмосфере, очень большая — 2000...2500 млрд т. В связи с развитием энергетики, промышленности и транспорта сжигается огромное количество угля и нефтепродуктов. Основным продуктом их окисления является CO₂. Учеными установлено, что атмосферный CO₂ обладает способностью задерживать, т.е. не пропускать в космическое пространство, тепловое излучение Земли («парниковый эффект»). Чем больше CO₂ в атмосфере, тем теплее климат Земли. Общее потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. В результате потепления усилится таяние льдов на полюсах планеты и в горных районах, что приведет к повышению уровня Мирового океана и к затоплению огромных площадей суши. Подсчитано, что если расплавить все ледники Гренландии и Антарктиды, то уровень океана поднимется почти на 60 м. Нетрудно догадаться, что тогда Санкт-Петербург и многие приморские города окажутся под водой.

Важным регулятором содержания CO₂ в атмосфере является растительный покров Земли. В результате фотосинтеза растения превращают CO₂ в клетчатку и освобождают кислород:

CO₂ + 6H₂О → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Уместно отметить, что растения — основные поставщики атмосферного кислорода, а его источником прямо или косвенно является вода. Ежегодное продуцирование кислорода земной растительностью планеты составляет 300 млрд т.

Основную роль в регулировании содержания CO₂ в атмосфере играют океаны. Между Мировым океаном и атмосферой Земли устанавливается равновесие: углекислый газ CO₂ растворяется в воде, превращаясь в угольную кислоту H₂CO₃, и далее превращается в донные карбонатные осадки. Дело в том, что в морской воде содержатся ионы кальция и магния, которые с карбонатным ионом могут превращаться в малорастворимый карбонат кальция CaCO₃ и магния MgCO₃. Многие морские организмы извлекают первую соль из морской воды и строят из нее панцири. При отмирании этих организмов за большие периоды времени на дне образуются огромные скопления панцирей. Так формируются залежи мела, а в результате вторичных геологических превращений — залежи известняков, часто в виде бутовых плит. Как мел, так и бутовый камень широко используют в строительном деле.

Около половины поступающего в океан углекислого газа концентрируется в виде карбоната кальция в коралловых рифах. Кораллы также являются скелетами особых полипов — придонных морских беспозвоночных организмов. Цвет коралла зависит от состава и количества включенного в него органического вещества. Меньшую роль в окраске коралла играют ионы металлов. Обычно соли железа окрашивают кораллы в красный, оранжевый и коричневый цвета, а соли марганца — в серый цвет. В последние годы из белых кораллов японские стоматологи стали изготавливать искусственные зубы. Они не окисляются и не разрушают ткани ротовой полости. Иногда белые кораллы используют в качестве заменителей кости. Коралл не отчуждается организмом и приживается лучше, чем инородные кости, металлы или пластмасса. Ноздреватая структура коралла постепенно заполняется новообразованной костной тканью и становится довольно прочной.

Трудно представить, какой была бы наша планета, если бы океаны не связывали атмосферный углекислый газ.

Одному зеленому покрову Земли невозможно было бы справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания CO₂ в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения для построения своего тела ежегодно потребляют из атмосферы 20 млрд т CO₂, а обитатели океанов и морей извлекают из воды 155 млрд т в пересчете на CO₂.

Не менее важным веществом в создании «парникового эффекта», чем CO₂, является атмосферная вода. Она также перехватывает и поглощает тепловое излучение Земли. Однако в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Атмосферную влагу, особенно в виде облаков, иногда сравнивают с «одеялом» планеты. Многие замечали, при ясном и безоблачном небе ночи бывают холоднее, чем в облачную погоду. Согласитесь, что сравнение с одеялом довольно образное и точное.

Пресная вода. Вероятно, многие не в полной мере осознают истинное значение воды для человека. Это особенно справедливо для жителей северных районов нашей страны, где пресная вода имеется в относительном достатке. Однако то же самое нельзя сказать о жителях засушливых районов среднеазиатских республик. Там с детства человек умеет ценить и беречь воду, поскольку он знает, что без воды нет жизни. Несмотря на то что вода — самое распространенное на Земле вещество, запасы пресной воды довольно ограниченны. Они составляют около 20 тыс. км3 на год. При норме водоснабжения 1000 т воды в год (с учетом промышленности и сельского хозяйства) на человека этого количества может хватить на 20 млрд человек. В настоящее время население нашей планеты составляет около 6 млрд. Демографы считают, что 20 млрд оно достигнет в 2100 г. Таким образом, природной пресной воды будет явно недостаточно. С учетом того, что источники пресной воды распределены на Земле неравномерно, в некоторых странах уже сегодня ощущается острая нехватка пресной воды. Для других регионов мира при относительном достатке пресной воды возникла проблема недостатка чистой воды, поскольку водоемы оказались загрязненными промышленными отходами и бытовыми стоками. До поры до времени природа сама справлялась с задачей очистки загрязненных человеком вод. Однако с ростом промышленного производства и с концентрацией населения в городах природе стало все труднее справляться с этой задачей. В связи с этим возникла необходимость в строительстве более совершенных и более производительных, но и более дорогих очистных сооружений.

К основным потребителям пресной воды относятся: сельское хозяйство (70%), промышленность, включая энергетику (20%) и коммунальное хозяйство (~10%). В промышленном производстве наиболее водоемкими являются химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая промышленность. Так, на изготовление 1 т синтетического волокна расходуется 2500...5000, пластмассы — 500...1000, бумаги — 400...800, стали и чугуна — 160...200 м3 воды. Опыт показывает, что на бытовые нужды житель благоустроенного города расходует 200...300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питье расходуется всего лишь 5%, в смывном бачке туалета — 43, для ванны и душа — 34, на мытье посуды — 6, на стирку — 4, на уборку помещения — 3%.

Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минеральных и органических примесей, если она прозрачна, бесцветна и не имеет привкуса и запаха. В соответствии с Государственным стандартом содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л. Кислотность воды в единицах рН должна быть в пределах 6,5...9,5. Концентрация нитратного иона не должна превышать 50 мг/л. Естественно, что она должна также отвечать бактериологическим требованиям и иметь допустимые показатели на токсичные химические соединения. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую Государственному стандарту, трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях. Основными стадиями очистки являются фильтрование (через слой песка) и обработка окислителями (хлором или озоном). В некоторых случаях приходится применять коагуляцию. Для этого используют сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃. В слабощелочной среде, создаваемой карбонатами кальция, под действием воды эта соль гидролизуется и из нее получается хлопьевидный осадок гидроксида алюминия Al(OH)₃, а также сульфат кальция CaSO₄ в соответствии с уравнением

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃↓ + 3CaSO₄↓ + 6CO₂

Гидроксид алюминия Al(OH)₃ вначале образуется в виде мелких коллоидных частиц, которые со временем объединяются в более крупные. Этот процесс, называют коагуляцией. При коагуляции хлопья Al(OH)₃ захватывают взвешенные примеси и сорбируют на своей развитой поверхности органические и минеральные вещества.

С давних пор для стерилизации питьевой воды использовалось простое кипячение, а древние греки добавляли в воду сухое вино, что создавало кислую среду, в которой погибали многие болезнетворные микробы.

Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Макрокомпонентами химического состава поверхностных и некоторых подземных вод считают ионы Na+, K+, Mg2+, Ca2+, HCO₃–, SO₄2–,Cl–, NO₃–. Ионы Fe2+, Fe3+, Al3+ в заметных количествах содержатся только в локальных подземных водах, характеризующихся кислой средой. Кремниевая кислота H₂SiO₃ является преобладающим компонентом в некоторых типах грунтовых и поверхностных вод с очень малой минерализацией, а также в термальных водах. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л.

Природные воды, содержащие соли, растворенные газы, органические вещества в более высоких концентрациях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты: CO₂, H₂S, некоторые соли (например, сульфаты натрия и магния), соединения мышьяка, радиоактивные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства. В настоящее время минеральные воды делят на лечебные, лечебно-столовые и столовые.

Лечебные минеральные воды проявляют свое действие в одних случаях при наружном, а в других — при внутреннем применении. Конечно, воды, пригодные для внутреннего применения, иногда оказываются полезными и при наружном использовании. В качестве лечебных вод широко известны сероводородные (например, воды в районе курорта Мацеста), в качестве лечебно-столовой воды наиболее известна «Боржоми», а в качестве столовых вод — «Нарзан» и «Ессентуки №20». В различных районах нашей страны как столовые широко используют разные местные минеральные воды, например, в Санкт-Петербурге известна вода «Полюстрово». Перед разливом в бутылки столовые минеральные воды обычно дополнительно насыщают углекислым газом до концентрации 3...4%.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Поскольку вода является очень хорошим растворителем, в природе она всегда содержит растворенные вещества, так как не существует абсолютно нерастворимых веществ. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.

Наименьшее количество примесей и растворенных веществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей. Лопающиеся пузырьки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха (особенно в штормовую погоду) и распределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды, — это частички пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дождевой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллированной воды 1,5 мл морской воды.

Получение высокочистой воды — весьма сложная задача. Поскольку она хранится в каком-то сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследований наиболее чистую воду получают методом ректификации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.

Как уже было отмечено, основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках. Поскольку опреснение морской воды требует больших энергетических затрат и стоит очень дорого, разработаны проекты транспортировки айсбергов из районов Северного и Южного полюсов к месту потребления и превращения льда в пресную воду. Однако пока эти проекты не были осуществлены.

Крупными резервуарами пресной воды являются болота. По некоторым оценкам в болотах содержится воды столько же, сколько и в озерах. Существует широко распространенное мнение, что болотная вода непригодна для питья. Ее часто называют «гнилой». По-видимому, отпугивающим аргументом выступает цвет болотной воды. Однако исторические записи свидетельствуют о том, что в далеком прошлом болотной водой заправляли корабли, отправляющиеся в далекие плавания. Такая вода долго сохраняла свои питьевые качества. Считают, что причиной этого служили содержащиеся в ней фенолы, которые играли стерилизующую роль. Заметим, что сам фенол (карболовая кислота) широко используют в медицине как антисептическое средство.

Еще в глубокой древности было известно, что вода, находящаяся в контакте с металлическим серебром, приобретает целебные свойства. Древние индусы обеззараживали воду погружением в нее пластинок из металлического серебра. В русской православной церкви прихожане получают «святую» воду, которая выдерживается в серебряных сосудах. В некоторых странах существовал обычай при освящении колодцев бросать в них серебряные монеты. Поскольку эти наблюдения были сделаны разными народами и в различных частях света, должна быть объективная причина проявления особых свойств «серебряной» воды. В настоящее время существует широко распространенное мнение, что активным началом этой воды являются не атомы серебра, а ионы Ag+. Есть экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эти ионы способны проникать внутрь клеток бактерий и нарушать их жизнедеятельность. Эффективность уничтожения бактерий в воде, содержащей следы ионов серебра, чрезвычайно высокая — в 1750 раз выше, чем действие карболовой кислоты. Бактерицидность «серебряной» воды сохраняется в течение многих месяцев.

Читатель может сделать правильный вывод, что пользоваться столовыми приборами, изготовленными из серебра, не только приятно, но и полезно.

Статистика, охватившая многие страны мира, показывает, что 80% всех заболеваний связано с плохим качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения. И еще одна цифра — от болезней, связанных с водой, страдает треть населения планеты, т.е. 2 млрд человек. После этих цифр так и хочется сказать: «будьте осторожны» и «берегите воду от загрязнений».

Влажность воздуха. Важной характеристикой состояния атмосферы является влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности. При насыщении воздуха водяными парами вода в нем больше не испаряется. Для человека наиболее благоприятная влажность воздуха 50%. На влажность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало — одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при высокой влажности. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии человека.

Влажность воздуха влияет на сохранность вещей и изделий из различных материалов. Для музеев, картинных галерей и книгохранилищ абсолютно сухая атмосфера столь же опасна, как и переувлажненная. Поддержание необходимой концентрации водяных паров (определенной влажности) обеспечивается с помощью кондиционеров воздуха или помещением экспонатов в витрины.

Для изделий из металла рекомендуется низкая относительная влажность. Считают, что железо лучше сохраняется при 20%-ной влажности, а медь и бронза — при 30%-ной.

Наилучшая сохранность изделий из дерева достигается при 50...55%-ной влажности, т.е. в условиях наиболее комфортных для человека.

Абсолютно сухого воздуха практически не бывает. В нем всегда присутствует влага хотя бы в следовых количествах. Оказывается, что ничтожные количества воды иногда могут сильно влиять на химические свойства многих веществ. В 1913 г. английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол начинает кипеть при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт — на 60, бром — на 59, а ртуть — без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашли удовлетворительного объяснения. В настоящее время известно, что тщательно высушенные газы NH₃ и HCl не образуют хлорида аммония, а сухой NH₄Cl в газовой фазе не диссоциирует на NH₃ и HCl при нагревании. Кислотный триоксид серы в сухих условиях не взаимодействует с основными оксидами CaO, BaO, CuO, а щелочные металлы не реагируют ни с безводной серной кислотой, ни с безводными галогенами.

В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, на много превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.

Влажность воздуха измеряют при помощи психрометра и волосяного гигрометра. Первый состоит из двух термометров. Рабочий баллон одного из них обернут батистовой тканью, смоченной водой. Влажность определяется по разности показаний сухого и смоченного термометров. При большой влажности разность температур небольшая, а при малой влажности разность температур высокая. Чем меньше влажность воздуха, тем больше испарение воды и тем сильнее охлаждение баллона этого термометра. Рабочей частью гигрометра является человеческий волос, имеющий на своей поверхности многочисленные микроскопические поры. Если волос обезжирить, то в его порах может конденсироваться вода. При увеличении влажности поры полнее заполняются водой. Это приводит к расширению пор, увеличению их объема и волос растягивается. Когда влажность воздуха уменьшается, происходит испарение влаги и волос сжимается.

Из пересыщенного водяными парами воздуха образуется туман. Он состоит из мельчайших капелек воды размером от 0,0001 до 0,1 мм. Капельки воды легче конденсируются на твердых частичках, находящихся в воздухе в виде пыли. Особенно хорошими центрами конденсации являются частицы углерода, содержащиеся в дыме. Знаменитые лондонские туманы были обязаны влажному морскому воздуху и многочисленным фабрикам и заводам, выделявшим в атмосферу много дыма. Туман иногда оказывает важную услугу сельскохозяйственным культурам, уберегая их от заморозков. Для защиты садов во время цветения от заморозков иногда создают искусственные туманы. Хлорид кальция CaCl₂ обладает большой способностью притягивать влагу. Его распылением в воздухе и создают искусственные туманы.

На данном принципе основаны процессы образования искусственного дождя. Для этого в тучи вводят затравки, на которых происходит конденсация воды или кристаллизация льда. Крупные градины получаются в том случае, если кристаллизация происходит на малом количестве центров. Если в тучу будет введено много затравок, то получатся мелкие кристаллы льда (они не могут вырасти, так как вся вода будет закристаллизована), которые при падении на землю часто успевают расплавиться и превратиться в дождь. В качестве широко распространенных затравок служат иодид серебра AgI, иодид свинца PbI₂ и другие вещества. Для широкого применения эти соли довольно дороги. Однако град может привести к гораздо большим экономическим потерям.

В республиках Средней Азии батареи градобойных зенитных пушек — картина весьма обычная. Из них в прямом смысле расстреливают грозовые тучи и таким образом спасают урожай от гибели.

Кроме дождя и града атмосферные осадки также выпадают в виде снега. Причудливые формы снежинок издавна привлекали внимание человека. Оказалось, что их форма, размер и характер зависят от вида и высоты облаков, в которых они образовались, от температуры тех слоев атмосферы, которые снежинкам пришлось пересечь при падении на землю. По виду снежинок метеорологи судят о погоде в верхних слоях атмосферы в дни, когда снегопад не позволяет вести наблюдения.

Лед. Вода — удивительное вещество. В отличие от других аналогичных соединений она имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т.е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, то он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно и в результате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов водоемов.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый человек был свидетелем того, что замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь вода сливается из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления должно приводить к плавлению льда. Действительно, это наблюдается на практике. Хорошее скольжение коньков на льду обусловливается именно этим обстоятельством. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре.

Так, лед, полученный при замерзании воды, который находится под давлением 20000 атм, в обычных условиях плавится только при 80°C.

Еще одна аномалия жидкой воды связана с неравномерным изменением ее плотности при изменении температуры. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые поверхностные слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой и более легкой глубинной воды с поверхностной. Погружение поверхностных слоев происходит лишь до тех пор, пока вода в водоеме охлаждается до +4°C. После этого порога плотность более холодных поверхностных слоев не увеличивается, а уменьшается и они плавают на поверхности не погружаясь. При охлаждении ниже 0°C эти поверхностные слои превращаются в лед.

Еще раз хотелось бы отметить, что чистая пресная вода — большая ценность и, к сожалению, ее природные ресурсы исчерпаемы. Воду нужно беречь и защищать от загрязнений, помня, что она — важная составная часть среды обитания человека. Подсчитано, что в нашей стране в водопроводной сети и ее арматуре за счет утечек в среднем теряется от 20 до 30% водопроводной воды. В некоторых странах разрабатываются водосберегающие технологии в бытовом водопользовании. Например, в Швеции сконструировано устройство и разработан способ удаления отходов в туалете с помощью сжатого воздуха и лишь небольшого количества воды. Созданы краны в умывальниках, которые автоматически отключают воду, когда человек отводит от него руки. Утечки воды иногда затапливают подвальные помещения и тем самым изменяют экологическую обстановку дома, района или даже города в целом. Массовое затопление подвалов в некоторых городах уже привело к появлению городских комаров — новой разновидности этих насекомых. Они размножаются не только летом, но и зимой и мигрируют по системам вентиляции, мусоропроводам, лестничным клеткам, создавая много неудобств жильцам таких домов.

Утечки вне домов на магистральных водопроводах приводят к снижению несущей способности грунтов, вызывают развитие оползней, создают подземные вымоины, что приводит к провалам грунта и иногда к разрушению зданий и сооружений.

Поваренная соль

С уверенностью можно сказать, что, по крайней мере, одно химическое соединение в довольно чистом виде имеется в каждом доме, в каждой семье. Это — поваренная соль или как ее называют химики — хлорид натрия NaCl. Известно, что, уходя из таежного приюта, для случайных путников охотники непременно оставляют спички и соль. Поваренная соль совершенно необходима для жизнедеятельности организма человека и животных. Недостаток этой соли приводит к функциональным и органических расстройствам: могут возникать спазмы гладкой мускулатуры, иногда поражаются центры нервной системы. Длительное солевое голодание может привести к гибели организма. Суточная потребность в поваренной соли взрослого человека составляет 10...15 г. В условиях жаркого климата потребность в соли возрастает до 25...30 г. Это связано с тем, что хлорид натрия выводится из организма с потом и для восстановления утрат в организм нужно вводить больше соли. При работе в горячих цехах и в условиях сухого и жаркого климата врачи рекомендуют пить подсоленную воду (0,3...0,5%-ный раствор поваренной соли), так как соль способствует удержанию воды в тканях.

Если не давать животному пищи, то через какое-то время оно погибнет от истощения организма. Если животное кормить без ограничения, но обессоленной пищей, то оно умрет еще быстрее. Дело в том, что поваренная соль служит источником образования в желудке соляной (хлороводородной) кислоты, которая является составной частью желудочного сока. Суточное количество желудочного сока взрослого человека достигает 2 л. Его кислотность характеризуется значением рН, равным 1,5...2,0.

При пониженной кислотности врачи прописывают пациенту слабый водный раствор соляной (хлороводородной) кислоты, а при повышенной кислотности он испытывает изжогу и ему рекомендуют принимать питьевую соду. Она нейтрализует избыток кислоты в соответствии с уравнением

HCl + NaHCO₃ = NaCl + CO₂ + H₂О

Пищевые белки, поступающие в желудок, под действием фермента (биологического катализатора) пепсина расщепляются на отдельные составляющие аминокислоты или блоки этих аминокислот. Из них синтезируется белок, присущий данному организму. Фермент пепсин образуется из другого фермента — пепсиногена. Для превращения пепсиногена в пепсин необходима соляная кислота. При ее недостатке в желудочном соке переваривание и усвоение белков не происходит или идет в малой степени. Соляная кислота также участвует в образовании гормона секретина и некоторых других гормонов, стимулирующих деятельность поджелудочной железы. Кроме того, она способствует переходу пищевых масс из желудка в двенадцатиперстную кишку и обезвреживанию микробов, попадающих в желудок из внешней среды.

Однако хлорид натрия нужен организму человека или животного не только для образования соляной кислоты в желудочном соке. Эта соль входит в тканевые жидкости и в состав крови. В последней ее концентрация равна 0,5...0,6%.

Водные растворы NaCl в медицине используют в качестве кровезамещающих жидкостей после кровотечений и при явлениях шока. Уменьшение содержания NaCl в плазме крови приводит к нарушению обмена веществ в организме.

Не получая NaCl извне, организм отдает его из крови и тканей.

Хлорид натрия способствует задерживанию воды в организме, что, в свою очередь, приводит к повышению артериального давления. Поэтому при гипертонической болезни, ожирении, отеках врачи рекомендуют снижать суточное потребление поваренной соли. Избыток в организме NaCl может вызвать острое отравление и привести к параличу нервной системы.

Организм человека быстро реагирует на нарушение солевого баланса появлением мышечной слабости, быстрой утомляемостью, потерей аппетита, возникновением неутолимой жажды.

Поваренная соль обладает хотя и слабыми, но антисептическими свойствами. Развитие гнилостных бактерий прекращается лишь при ее содержании в 10...15%. Это свойство широко используют в пищевой промышленности и при сохранении пищевых продуктов в домашних условиях.

Нам трудно представить, что в прошлом во многих странах соль служила существенным источником пополнения казны, была важным предметом торговли. Из-за соли велись кровопролитные войны между соседними народами, а по причине непомерно высоких налогов, устанавливаемых на соль, происходили народные восстания (соляные бунты). Например, такой бунт произошел в Москве весной 1648 г. Этому послужил повышенный налог на соль, введенный царем Алексеем Михайловичем. Этот бунт окончился благополучно. Правительство, напуганное размахом волнений (из Москвы бунт перекинулся на Сольвычегодск, Устюг Великий, Соликамск), снизило уровень налога. Многие народные волнения в Китае, других странах Азии, в Европе кончались не столь благополучно.

В некоторых странах соль выполняла даже роль денежной единицы. Венецианский путешественник Марко Поло, посетивший Китай в 1286 г., описал использовавшиеся там монеты из кристаллов каменной соли. Особое распространение денежной единицы из соли получило во многих районах Центральной Африки. В Эфиопии стандартные бруски каменной соли были в ходу в качестве денежной единицы еще в XIX в. Многочисленные исторические документы свидетельствуют о том, что римским воинам, а затем и крестоносцам нередко жалование выплачивали солью. Ученые считают, что, возможно, с этим связано происхождение французского слова «салер» (жалование) и итальянского «сольди» (мелкая монета).

Организм первобытного человека получал необходимую соль с пищей животного происхождения. Однако потребности организма заставляли искать ее в более концентрированном виде. Давно было обнаружено, что некоторые растения имеют приятный соленый вкус. Такие растения сушились, а затем сжигались в костре. Получающуюся золу использовали в качестве приправы к пище.

Позднее люди научились поливать горящие в костре куски дерева соленой водой из моря или озера и оставшуюся золу также использовать в пищу.

Уже за две тысячи лет до н.э. китайцы научились получать поваренную соль выпариванием морской воды. Способ извлечения соли из морской воды выпариванием независимо был изобретен также в различных других странах. Вначале он появился в странах с сухим и жарким климатом — в Индии, Греции, Риме. Позднее таким способом соль стали добывать во Франции, Испании, в Крыму. На севере нашей страны морская вода выпаривалась (варилась) в больших чанах, а источником энергии служили дрова. Однако в северных районах, в частности на берегах Белого моря, было и существенное усовершенствование способа извлечения соли из морской воды.

Поморы давно заметили, что при замерзании морской воды лед получается несоленым, а оставшаяся незамерзшая вода становится гораздо солонее. Расплавляя лед, можно получать пресную воду из морской, а из рассола вываривали поваренную соль с меньшими энергетическими затратами.

Все, кто пробовал на вкус морскую воду, помнят, что она имеет горьковатый привкус и мало похожа на водный раствор поваренной соли. Это означает, что в морской воде кроме хлорида натрия содержатся другие соли. Опять же, кому доводилось быть на различных морях, помнят, что по вкусу, плотности, по раздражающему действию на глаза воды отличаются, а значит, они имеют разный состав. Тем не менее среднее содержание (мас. доля,%) солей в морской воде выглядит следующим образом: NaCl — 77,8, MgCl₂ — 10,9, MgSO₄ — 4,7, KCl, K₂SO₄ — 2,5, CaCO₃, Ca(HCO₃)₂ — 0,3, другие соли — 0,2.

При испарении морской воды при температурах 20...35°C вначале выделяются наименее растворимые соли — карбонаты кальция, магния и сульфат кальция. Затем выпадают более растворимые соли — сульфаты натрия и магния, хлориды натрия, калия, магния и после них сульфаты калия и магния. Порядок кристаллизации солей и состав образующихся осадков может несколько изменяться в зависимости от температуры, скорости испарения и других условий. При испарении морской воды в естественных условиях последовательно образуются следующие минералы:

Кальцит CaCO3	Магнезит MgCO3
Доломит MgCO3·CaCO3	Нексвегонит MgCO3·3H2O
Гипс CaSO4·2H2O	Ангидрит CaSO4
Глауберит Na2SO4·CaSO4	Тенардит Na2SO4
Мирабилит Na2SO4·10H2O	Астраханит Na2SO4·MgSO4·4H2О
Галит NaCl	Сильвин KCl
Карналлит KCl·MgCl2·6H2О	Эпсомит MgSO4·7H2O
Гексагидрит MgSO4·6H2O и другие сульфаты магния	Каинит KCl·MgSO4·3H2O
Бишофит MgCl2·6H2O

Несмотря на то что этот список минералов большой, нужно помнить, что основная масса принадлежит хлориду натрия. При варке соли испарение рассола проводят не досуха и оставшийся богатый солями магния раствор отбрасывают.

Горьковатый вкус морской возы обусловлен именно солями магния.

Многие знают, что поваренная соль, находящаяся на влажном воздухе, отсыревает.

Чистый хлорид натрия — негигроскопичное вещество, т.е. не притягивает влагу. Гигроскопичны хлориды магния и кальция. Их примеси почти всегда содержатся в поваренной соли и благодаря им происходит поглощение влаги.

В удаленных от моря районах иногда встречаются подземные соляные источники. Люди издавна использовали их для вываривания соли. В нашей стране уже со времени владычества татарского хана Батыя и его потомков поваренная соль добывалась из озер Нижнего Поволжья, с сухим и жарким климатом. В созвездии соляных озер этого района особенно выделяются озера Эльтон и Баскунчак. Промышленная эксплуатация озера Эльтон осуществляется более полутора веков. Свежеосажденная соль за многие геологические периоды преобразовалась в осадочную породу — монолит каменной соли. Окраска и прозрачность последней зависит от характера примесей.