Вода знакомая и незнакомая

  1   2   3   4   5   6   7   8

ВВЕДЕНИЕ


«Она 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 не заключало бы. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено».

Академик В.И.Вернадский

В кружева будто одеты
Деревья, кусты, провода.
И кажется сказкою это,
А в сущности только — вода!

Безбрежная ширь океана
И тихая заводь пруда,
Струя водопада и брызги фонтана
И все это — только вода!

Роль воды в жизни нашей планеты удивительна и, как ни странно, раскрыта еще не до конца.

Цель работы «Вода знакомая и загадочная

• Актуализировать знания о воде.
  
• Раскрыть уникальные физические, физико-химические и химические свойства воды.
  
• Проанализировать проблемы очистки воды в промышленном масштабе и домашних условиях.
  
• Познакомиться с рынком фильтров.
  
• Изучить качество воды в реке Волхов и питьевой воды в городе
  
• Рассмотреть лучшие работы участников конкурса «Водоканал-сервис» 2004г.
  
• Освоить терминологию в области водоподготовки и водосбережения
  

I РАЗМЫШЛЕНИЯ О ВОДЕ ВЕЛИКИХ ФИЛОСОФОВ И УЧЕНЫХ

Многие столетия люди не знали, что представляет собой вода, и как появилась она на планете.

Древнегреческие ученые сравнивали море с организмом человека, пытаясь тем самым объяснить различные процессы, протекающие в морской среде, например испарение рассматривалось как выделение пота и т. д.

Выдающиеся мыслители древности – Платон (ок. 427 – ок. 347 до н. э.) и его ученик Аристотель (384–322 до н. э.) – уделяли воде большое внимание.

Как известно из сохранившихся документов, своими мыслями Платон делился с учениками во время прогулок по живописному побережью близ Афин. Его представления о мире сформировались в философскую систему, которая господствовала более двух тысячелетий. В основе его системы мироздания лежали четыре стихии: огонь – воздух – вода – земля (рис. 1).



Рис. 1. Представление Аристотеля об элементах и качествах

В научных трудах Платона воде отводилась важнейшая роль. В трактате «Тимей» он утверждал, что стихия, называемая водой, сгущаясь, превращается в камни и землю, но она может стать ветром и воздухом, а воспламенившийся воздух – огнем.

Эти фантастические рассуждения кажутся теперь наивными и смешными, но не спешите улыбаться. Именно так рождались идеи, раскрывающие происхождение различных явлений в природе, и делались первые попытки найти между ними взаимосвязь. А главный вопрос, который волновал человечество в древности, да и теперь не меньше: «Откуда мы?»

Чем дальше человечество уходит от философов древности, тем больше вопросов ставит перед нами окружающий нас мир.

Вот и приходится вспоминать знаменитое восклицание: «Воистину вода лучше всего!» Принадлежит оно греческому философу Фалесу из Милета (ок. 625 – ок. 547 до н. э.), который считал, что в основе всего многообразия явлений и вещей лежит вода. Он, очевидно, был первым, кто отметил необычайность ее физических свойств и, сравнивая с другими веществами природы, указал на способность воды существовать в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Представления Фалеса, несомненно, нашли отражение в трудах Платона и его ученика Аристотеля. Сочинения Аристотеля охватывали практически все области тогдашнего знания. Его интересовали вопросы движения воды, ее роль на планете; в его трактатах можно найти и некоторые идеи, приближающие его к пониманию важной проблемы – круговорота воды в природе.

Древнегреческий философ, поэт и врач Эмпедокл из Агригента (ок. 490 – ок. 430 до н. э.) и его соотечественник Демокрит (ок. 470 или 460 до н. э. – умер в глубокой старости) из г. Абдера (Фракия) считали, что, подобно процессу потения, море следует рассматривать как испарину на поверхности земли под лучами солнца.

Римский ученый Плиний Старший (23 или 24 – 79 н. э.) в трактате «Естественная история» высказал идею, объясняющую соленость морской воды. Он утверждал, что благодаря солнцу из воды удаляются пресные компоненты, и поверхностные воды становятся солеными. Однако, по его мнению, глубинные морские воды отличаются слабой соленостью и переходят в пресные. Такая точка зрения просуществовала много веков, пока человек не создал приборы, способные отбирать пробы воды с любой глубины, так называемые батометры.

Множество гениальных идей высказал римский философ Сенека Луций Анней (ок. 4 до н. э. – 65 н. э.)¹. Он суммировал эмпирические взгляды древних в трактате «Проблемы естествознания» и утверждал, что первоначально в мире был хаос. Вещества, по его мнению, растворенные в морской воде, в океане, стали разделяться в течение времени и послужили источником зарождения жизни. Он писал, что соленость морской воды и уровень океана сохраняются постоянно, а существенная прибавка воды из рек в моря компенсируется испарением. Он был весьма наблюдательным естествоиспытателем и отмечал, что в термальных водах растворенные вещества выпадают в осадок и можно наблюдать отложение известняка и других материалов. Сенека обратил внимание на то, что выветривание горных пород приводит к образованию мелей в реках, а с речными водами эти материалы поступают в моря, образуя дельту реки. Он был убежден (и правильно), что вода способна растворять самые твердые горные породы.

Ученый сделал первую попытку классификации вод на научной основе:

1. Океанические воды. Они существовали с самого начала и составляют основную часть природных вод. Из этих вод образовались все другие воды на Земле.
2. Подземные воды. Они циркулируют в грунте и почве; выходят на поверхность в виде источников.
3. Текущие или стоячие воды на поверхности земли. Из них состоят реки, озера и другие водоемы.
4. Воды атмосферы. К ним относятся дождевая вода, снег, иней, роса и т. д.

Римский архитектор и инженер Марк Витрувий, живший во второй половине I в. до н. э., расcмотрел в трактате «Десять книг об архитектуре» наряду с градостроительством вопросы круговорота воды. Он утверждал, что испаряются легкие и полезные для здоровья частицы воды, а тяжелые и грубые остаются.

Испарения морей, рек, источников и болот под действием солнечного тепла сгущаются и образуют облака, поддерживаемые «волной воздуха». При движении они наталкиваются на горы, и вследствие удара выпадают осадки.

Происхождение горячих и холодных источников Витрувий объяснял процессами воспламенения в недрах Земли различных веществ, таких, как квасцы, горная смола, сера и т. д. Они разогревают землю, и протекающая поблизости подземная вода нагревается. Если вода долго течет под землей, то она успевает охладиться, но вкус, запах и цвет оказываются испорченными за счет растворенных пород. Эти взгляды получили широкое распространение и просуществовали вплоть до XVIII в.

Таким образом, римские ученые внесли много рационального в представления о происхождении природных вод, хотя множество идей они заимствовали у греческих философов. Такие мыслители древности, как Плиний, Сенека, Витрувий и другие, обладали прежде всего энциклопедическими познаниями, и созданные ими многотомные трактаты стали документами величайшей ценности, сохранившими до наших дней «дела и мысли» древних естествоиспытателей.

Впервые столетия нашей эры возник и получил развитие своеобразный феномен человеческой культуры – алхимия. Ее крупнейшие представители стремились соединить моменты умозрительных философских построений с практическими знаниями о природных явлениях, и все это делалось ради того, чтобы найти так называемый «философский камень», превращающий неблагородные металлы в золото и серебро.

Начиная с раннего средневековья, по мере усиления христианской церкви, значительно сократились исследования природных явлений, процессов и закономерностей, наблюдаемых в окружающем мире. По существу, все области знания, кроме теологии, остановились в своем развитии.

Изучение природных вод затухало и почти утратило реальные основы – практический опыт – на целое тысячелетие (V–XVI вв.).

Алхимия зародилась в Египте в III–IV вв. н. э., достигла расцвета в Западной Европе в IХ–XVI вв. Развитие многих отраслей научных знаний было таким образом ограничено своеобразным табу.

Представления, сложившиеся веками под влиянием суеверных и религиозных воззрений на окружающий человека мир, становились серьезным препятствием для правильного понимания и истолкования наблюдаемых явлений природы в эпоху средневековья.

Накопленные знания о природных водах, пресных и морских, имели часто путанный, очень расплывчатый характер. Не было ясности вплоть до XVII в. относительно разграничения пресных и соленых вод; полагали, что в природе наблюдаются их взаимные превращения. Такой подход, утвердившийся в эпоху Платона–Аристотеля, два тысячелетия отражал суть воззрений многих поколений естествоиспытателей.

Океанические воды, по мнению некоторых авторитетов XVI–XVII вв., с глубиной становятся все более пресными. Эти представления, зародившись в Древней Греции, перекочевали в труды римских ученых и на протяжении многих столетий принимались алхимиками, благополучно дожив до ХVI–ХVII вв.

В XVI в. естествоиспытатели, объясняя постоянный уровень морей и океанов, часто склонялись к гипотетическим представлениям о пористости Земли, полагая, что морская вода заполняет пустоты, проникая в сушу по многим невидимым каналам. Не зная достаточно отчетливо, насколько морская вода отличается по составу от воды соляных озер и других минеральных источников, ученые считали, что подобные явления одного характера, и находили в этом глубокую связь между водами моря и суши.

В этом хотя и ложном понимании явлений нащупывались первые исходные положения, которые формировали или, вернее, начинали формировать представления о единой картине в гидросфере. Но процесс развития знаний о природных водах был медленным, постоянно наталкивался на преграды, для преодоления которых требовалось длительное время.

Даже такие выдающиеся мыслители, как Роджер Бэкон (ок. 1214–1292) и Леонардо да Винчи (1452–1519), не смогли сколько-нибудь заметно повлиять на состояние и развитие знаний.

Огромный интерес Леонардо да Винчи к естественным наукам, его идеи относительно круговорота воды заслуживают особого внимания. Он намечает создать «Трактат о воде», который включает пятнадцать книг, посвященных различным темам. Заглавия этих книг говорят о значительной предварительной работе, выполненной автором. Вот некоторые из них: о самой воде; о море; о подземных потоках; о реках; о природе пучин; о поверхностных водах; о водоворотах; о каналах; о машинах, приводимых в действие водой; о наводнениях; о веществах, находящихся в воде, и т. д.

Последний раздел представляет несомненный интерес, поскольку указывает на первые попытки изучения химической природы воды. Однако осуществить замысел этого фундаментального труда не удалось, но отдельные записи, найденные уже после смерти автора и дошедшие до нас, говорят о том, что его представления о круговороте воды формировались под влиянием древнегреческих и римских философов. Леонардо да Винчи не слепо заимствует все от древних, как это нередко делали в его эпоху, а принимает только самое рациональное и развивает свои идеи о круговороте воды.

В тезисах к задуманному им труду «Трактат о воде» он так формулирует задачи, относящиеся к гидрологии: «Где есть жизнь, там есть тепло, а где есть жизненное тепло, там происходит движение паров. Это не требует доказательств, ибо мы видим, что элемент огня своим теплом притягивает к себе влажные пары и плотные туманы в виде компактных облаков, которые он заставляет подниматься с морей, озер и рек, из сырых долин; пары эти постепенно поднимаются до области холода, и здесь первая часть их останавливается, потому что тепло и влажность не могут существовать рядом с холодом и сухостью, к первой части одна за другой присоединяются все остальные, и так образуются плотные темные облака. Носимые ветром, они соединяются в большие массы и становятся настолько тяжелыми, что низвергаются сильным дождем, а если силу элемента огня умножает жар солнца, облака притягиваются еще выше и встречают там еще больший холод, в котором образуют лед и снег, и тогда они низвергаются бурями с градом. То же самое тепло, которое удерживает тяжелые массы воды, дождем падающей из облаков, заставляет ее подниматься с подножия гор вверх, достигать вершин и, найдя какие-нибудь расселины, изливаться из них, образуя таким образом реки».

Выдвинутая здесь концепция круговорота воды вполне приемлема и не расходится с современными представлениями.


II РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ В ПРИРОДЕ


Вода - вещество привычное и необычное.

Нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах.

Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли, она - незаменима. Иссякнут запасы металлов - быть может удастся обойтись пластмассами; не хватит растительных и животных белков - научатся получать синтетические. Даже вместо обычного воздуха пригодна в некоторых случаях искусственная смесь газов. Вода же будет необходима во все века и всюду, где существуют земные формы жизни.

Почти ³/4 поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой - снегом и льдом - покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле, равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров приходится на долю солёных вод Мирового океана, и только 35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар слоем более 2,5 километров. На каждого жителя Земли приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной воды. Но трудность в том, что подавляющая часть пресной воды на Земле находится в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод.

Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Тело человека почти на 63 - 68 % состоит из воды. Представители животного и растительного мира содержат такое же обилие воды в своих организмах. Меньше всего воды, лишь 5 - 7% веса, содержат некоторые мхи и лишайники. Большинство обитателей земного шара и растения состоят более чем на половину из воды. Например, млекопитающие содержат 60 - 68 %; рыбы - 70 %; водоросли - 90 - 98 % воды.

Содержание воды в некоторых пищевых продуктах.

Пищевые продукты	Содержание воды, % от массы
Помидоры	95
Грибы	92
Молоко	87
Апельсины	86
Яблоки	84
Рыба	82
Картофель	76
Яйца	75
Мясо (говядина)	64

III СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ


Как известно, свойства химических соединений зависят от того, из каких элементов состоят их молекулы, и изменяются закономерно. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи «О – Н» 0,957 нм; валентный угол «Н - О – Н» составляет 104° 27’.

Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислородного, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярна, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле воды, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной.

Она объединяет молекулы воды в своеобразные полимеры пространственного строения. В водяном паре присутствует около 1% димеров воды. Расстояние между атомами кислорода - 0,3 нм. В жидкой и твёрдой фазах каждая молекула воды образует четыре водородные связи: две - как донор протонов и две - как акцептор протонов. Средняя длина этих связей — 0, 28 нм, угол Н - О — Н стремится к 180. Четыре водородные связи молекулы воды направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих трудно растворимых веществ: капля камень точит.