Большая Советская энциклопедия - вода
Связанные словари
Вода
окись водорода, H20, простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом (11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе), молекулярная масса 18,0160; бесцветная жидкость без запаха и вкуса (в толстых слоях имеет голубоватый цвет), В. принадлежит важнейшая роль в геологической истории Земли и возникновении жизни, в формировании физической и химической среды, климата и погоды на нашей планете. Без В. невозможно существование живых организмов. В. — обязательный компонент практически всех технологических процессов — как сельскохозяйственного, так и промышленного производства.
В. в природе. В. широко распространена в природе. Гидросфера — водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные В., почвенную влагу, составляет около 1,4—1,5 млрд. км3, причём на долю В. суши приходится всего около 90 млн. км3. Из них подземные воды составляют 60, ледники 29, озёра 0,75, почвенная влага 0,075, реки 0,0012 млн. км3. В атмосфере В. находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13—15 тыс. км3). Около 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке СССР, на Аляске и Севере Канады — общей площадью около 16 млн. км2 всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн. км3. В земной коре — литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км3 В., что близко к содержанию её в гидросфере. В земной коре значительные количества В. находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др.). Огромные количества В. (13—15 млрд. км3) сосредоточены в более глубоких недрах мантии Земли (См. Мантия Земли). Выход В., выделявшейся из мантии в процессе разогревания Земли на ранних стадиях её формирования, и дал, по современным воззрениям, начало гидросфере. Ежегодное поступление В. из мантии и магматических очагов составляет около 1 км3. Имеются данные о том, что В., хотя бы частично, имеет «космическое» происхождение: протоны, пришедшие в верхнюю атмосферу от Солнца, захватив электроны, превращаются в атомы водорода, которые, соединяясь с атомами кислорода, дают H2O. В. входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше В., чем во всех реках Земли. В живых организмах количество В., за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animée (одушевлённая вода). Все воды Земли постоянно взаимодействуют между собой, а также с атмосферой, литосферой и биосферой (см. Влагооборот, Водный баланс)/
В. в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения В. и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг В. считают пресной, до 25 г/кг — солоноватой, свыше — солёной.
Наименее минерализованными В. являются атмосферные осадки (в среднем около 10—20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50—1000 мг/кг). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17—22 г/кг; Балтийское 8—16 г/кг; Каспийское 11—13 г/кг). Минерализация подземных В. вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг, в глубинных артезианских В. минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных В. (до 600 г/кг).
В пресных В. обычно преобладают ионы HCO3-, Са2+ и Mg2+. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO42-, Cl-, Na+ и К+. В высо-коминерализованных В. преобладают ионы Cl- и Na+, реже Mg2+ и очень редко Ca2+. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных В.
Из растворённых газов в природных В. присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Концентрация органических веществ невелика — в среднем в реках около 20 мг/л, в подземных В. ещё меньше, в океане около 4 мг/л. Исключение составляют В. болотные и нефтяных месторождений и В., загрязнённые промышленными и бытовыми стоками, где количество их бывает выше. Качественный состав органических веществ чрезвычайно разнообразен и включает различные продукты жизнедеятельности организмов, населяющих В., и соединения, образующиеся при распаде их остатков.
Первоисточниками солей природных В. являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca2+, Mg2+, Na+, К+ и др.), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO2, SO2, HCI, NH3 и др.). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с В., зависит состав В. Громадное значение для состава В. имеет и воздействие живых организмов (см. также Гидрохимия).
Изотопный состав В. В связи с существованием двух стабильных изотопов у Водорода (1H и 2H, обычно обозначаемые Н и D) и трёх у кислорода (16O,17O и 18O) известно 9 изотопных разновидностей В., которые находятся в природной В. в среднем в следующих соотношениях (в молярных %): 99,73 H216O; 0,04 H217O; 0,20 H218O, 0,03 HD’16O, а также 10-5—10-15%(суммарно) HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O. Особый интерес представляет Тяжёлая вода D2O, содержащая Дейтерий. В В. Земли находится всего13—20 кг «сверхтяжёлой» В.. содержащей радиоактивный изотоп водорода — тритий (3H, или Т).
Историческая справка. Благодаря широкой распространённости В. и её роли в жизни людей, она издавна считалась первоисточником жизни. Представление философов античности о В. как о начале всех вещей нашло отражение в учении Аристотеля (См. Аристотель) (4 в. до н. э.) о четырёх стихиях (огне, воздухе, земле и В.), причём В. считалась носителем холода и влажности. Вплоть до конца 18 в. в науке существовало представление о В. как об индивидуальном химическом элементе. В 1781—82 английский учёный Г. Кавендиш впервые синтезировал В., взрывая электрической искрой смесь водорода и кислорода, а в 1783 французский учёный А. Лавуазье, повторив эти опыты, впервые сделал правильный вывод, что В. есть соединение водорода и кислорода. В 1785 Лавуазье совместно с французским учёным Ж. Менье определил количественный состав В. В 1800 английские учёные У. Николсон и А. Карлейль разложили В. на элементы электрическим током. Таким образом, анализ и синтез В. показали сложность её состава и позволили установить для неё формулу H2O. Изучение физических свойств В. началось ещё до установления её состава в тесной связи с другими научно-техническими проблемами. В 1612 итальянский учёный Г. Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда сравнительно с жидкой В. как на причину плавучести льда. В 1665 голландский учёный Х. Гюйгенс предложил принять температуру кипения и температуру плавления В. за опорные точки шкалы термометра. В 1772 французский физик Делюк нашёл, что максимум плотности В. лежит при 4°С; при установлении в конце 18 в. метрической системы мер и весов это наблюдение было использовано для определения единицы массы (См. Масса) — Килограмма. В связи с изобретением паровой машины французские учёные Д. Араго и П. Дюлонг (1830) изучили зависимость давления насыщенного пара В. от температуры. В 1891—97 Д. И. Менделеев дал формулы зависимости плотности В. от температуры. В 1910 американский учёный П. Бриджмен и немецкий учёный Г. Тамман обнаружили у льда при высоком давлении несколько полиморфных модификаций. В 1932 американские учёные Э. Уошберн и Г. Юри открыли тяжёлую В. Развитие физических методов исследования позволило существенно продвинуться в изучении структуры молекул В., а также строения кристаллов льда. В последние десятилетия особое внимание учёных привлекает структура жидкой В. и водных растворов (См. Растворы).
Физические свойства и строение В. Важнейшие физические константы В. приведены в табл. 1. О давлении насыщенного пара В. при разных температурах см. в ст. Пар водяной. О полиморфных модификациях В. в твёрдом состоянии см. в ст. Лёд. Тройная точка для В., где находятся в равновесии жидкая В., лёд и пар, лежит при температуре +0,01°С и давлении 6,03·10-3 атм.
Многие физические свойства В. обнаруживают существенные аномалии. Как известно, свойства однотипных химических соединений у элементов, находящихся в одной и той же группе периодической системы Менделеева, изменяются закономерно. В ряду водородных соединений элементов VI группы (H2Te, H2Se, H2S, H2O) температуры плавления и кипения закономерно уменьшаются лишь у первых трёх; для В. эти температуры аномально высоки. Плотность В. в интервале 100—4°С нормально возрастает, как и у огромного большинства других жидкостей. Однако, достигнув максимального значения 1,0000 г/см3 при +3,98°С, при дальнейшем охлаждении уменьшается, а при замерзании скачкообразно падает, тогда как почти у всех остальных веществ кристаллизация сопровождается увеличением плотности. В. способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии ниже температуры плавления (даже при —30°С). Удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления и кипения В. аномально высоки по сравнению с другими веществами, причём удельная теплоёмкость В. минимальна при 40°С. Вязкость В. с ростом давления уменьшается, а не повышается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Сжимаемость В. крайне невелика, причём с ростом температуры уменьшается.
Табл. 1. — Физические свойства воды
--------------------------------------------------------------------------------------------------
| Свойство | Значение |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Плотность, г/см3 | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,9168 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 0,99987 (0°С) |
| | 1,0000 (3,98°С) |
| | 0,99823 (20°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 0,5977 кг/м3 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Темп-ра плавления . . . . . | 0°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Темп-ра кипения . . . . . . . | 100°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. темп-ра . . . . . . . . | 374,15°С |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. давление . . . . . . . | 218,53 кгс/см2 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Критич. плотность . . . . . . | 0,325 г/см3 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплота плавления . . . . . . | 79,7 кал/г |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Теплота испарения . . . . . . | 539 кал/г (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. теплопровод | |
| ность, кал/(см·сек·град) | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 5,6·10-3 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,43·10-3 (0°С) |
| | 1,54·10-3 (45°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 5,51·10-5 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. электропровод | |
| ность, ом--1·см-1 | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 0,4·10-8 (0°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,47·10-8 (0°С) |
| | 4,41·10-8 (18°С) |
| | 18,9·10-8 (50°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Уд. теплоёмкость | |
| кал/(г·град) | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,00 (15°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный . . . . . . | 0,487 (100°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Диэлектрическая про | |
| ницаемость | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| лёд . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 74,6 (°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 81,0 (20°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| пар насыщенный | 1,007 (145°С) |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Вязкость, спз | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| жидкость . . . . . . . . . . . . | 1,7921 (0°С) |
| | 0,284 (100°С) |
| | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Поверхностное натя| 74,64 (0°С) |
| жение жидкой во| 62,61 (80°С) |
| ды на границе с | |
| воздухом, дин/см | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Показатель прелом | 1,33299 (20°С) |
| ления (D — линия | |
| натрия) . . . . . . . . . . . . . . | |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Скорость звука в во | 1,496 м/сек (25°С) |
| де . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
-------------------------------------------------------------------------------------------------Примечание: 1 кал/(см·сек·град) = 418,68 вт/(м·К); 1 ом-–1·см-–1 = 100 сим/м;
1 кал/(г·град) =.4,186 кдж (кг·К); 1 спз = 10—3н·сек/м2; 1 дин/см = 10–3н/м.
Аномалии физических свойств В. связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий (См. Межмолекулярное взаимодействие) в жидкой В. и льде. Три ядра в молекуле В. образуют равнобедренный треугольник с протонами в основании и кислородом в вершине (рис. 1, а). Распределение электронной плотности в молекуле В. таково (рис. 1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками необобществлённых пар электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1, г). Благодаря этой полярности В. имеет высокий Дипольный момент (1,86 D), а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле В. образовать четыре водородные связи (См. Водородная связь) с соседними (такими же) молекулами (например, в кристаллах льда).
Кристаллическая структура обычного льда гексагональная (рис. 2), она «рыхлая», в ней много «пустот». (При плотной «упаковке» молекул В. в кристаллах льда его плотность составляла бы около 1,6 г/см3.) В жидкой В. присущая льду связь каждой молекулы H2O с четырьмя соседними («ближний порядок») в значительной степени сохраняется; однако «рыхлость» структуры при плавлении льда уменьшается, молекулы «дальнего порядка» попадают в «пустоты», что ведёт к росту плотности В. При дальнейшем нагревании В. возрастает тепловое движение молекул, расстояние между ними увеличивается, т. е. происходит расширение В., которое начиная с +3,98°С уже преобладает, и поэтому далее с ростом температуры плотность В. уменьшается. Водородные связи примерно в 10 раз прочнее, чем связи, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями, характерными для большинства других жидкостей; поэтому для плавления, испарения, нагревания В. необходима гораздо большая энергия, чем в случае других жидкостей, что объясняет отмеченные аномально высокие значения теплот плавления и испарения и удельной теплоёмкости. С повышением температуры водородные связи разрываются, однако определённое их число сохраняется даже при 100°С. Растворённая в органических растворителях В. состоит из образовавшихся за счёт водородных связей ассоциатов (H2O)2.
Вода как растворитель. В. — наиболее универсальный растворитель. Газы достаточно хорошо растворяются в В., если способны вступать с ней в химическое взаимодействие (аммиак, сероводород, сернистый газ, двуокись углерода). Прочие газы мало растворимы в В. При понижении давления и повышении температуры растворимость газов в В. уменьшается. Многие газы при низких температурах и повышенном давлении не только растворяются в В., но и образуют Кристаллогидраты (аргон, криптон, ксенон, хлор, сероводород, углеводороды и др.). В частности, пропан при 10°С и 0,3 мн/м2 (3 кгс/см2) даёт кристаллогидрат C3H8·17H2O. При уменьшении давления такие гидраты распадаются. Кристаллогидраты многих газообразных веществ, образующиеся при низких температурах, содержат В. в «пустотах» своих кристаллов (так называемые клатраты, см. Соединения включения).
В. — слабый электролит (См. Электролиты), диссоциирующий по уравнению:
причём количественной характеристикой электролитической диссоциации (См. Электролитическая диссоциация) В. служит ионное произведение В.: Кв = [Н+] [ОН-], где [Н+] и [ОН-] — концентрация соответствующих ионов в г-ион/л; Кв составляет 10-14 (22°С) и 72·10-14 (100°С), что соответствует усилению диссоциации В. с ростом температуры (см. также Водородный показатель).
Будучи электролитом, В. растворяет многие кислоты, основания, минеральные соли. Такие растворы проводят электрический ток благодаря диссоциации растворённых веществ с образованием гидратированных ионов (см. Гидратация). Многие вещества при растворении в В. вступают с ней в реакцию обменного разложения, называемую Гидролизом. Из органических веществ в В. растворяются те, которые содержат полярные группы (—ОН, —NH2, — СООН и др.) и имеют не слишком большую молекулярную массу. Сама В. хорошо растворима (или смешивается во всех отношениях) лишь в ограниченном числе органических растворителей. Однако в виде ничтожной примеси к органическим веществам В. присутствует практически всегда и способна резко изменять физические константы последних.
В. любого природного водоёма содержит в растворённом состоянии различные вещества, преимущественно соли (см., например, Жёсткость воды). Благодаря высокой растворяющей способности В., получить её в чистом виде весьма трудно. Обычно мерой чистоты В. служит её электропроводность. Дистиллированная В., полученная перегонкой обычной В., и даже повторно перегнанный дистиллят имеют электропроводность примерно в 100 раз более высокую, чем у абсолютно чистой В. Наиболее чистую В. получают синтезом из тщательно очищенного кислорода и водорода в спец. аппаратуре.
В последние годы появились многочисленные сообщения о существенном изменении свойств технической и дистиллированной В. после её протекания с определённой скоростью в магнитных полях оптимальной (весьма невысокой) напряжённости. Эти изменения носят временный характер и через 10—25 часов постепенно и самопроизвольно исчезают. Отмечается, что после такой «магнитной обработки» ускоряются процессы кристаллизации растворённых в В. веществ, адсорбции, изменяется смачивающая способность В. и др. Хотя теоретическое объяснение этих явлений пока отсутствует, они уже находят широкое практическое применение — для предотвращения образования накипи в паровых котлах, для улучшения процессов флотации (См. Флотация), очистки В. от взвесей и др.
Образование и диссоциация В. Образование В. при взаимодействии водорода с кислородом сопровождается выделением теплоты 286 кдж/моль (58,3 ккал/моль) при 25°С (для жидкой В.). Реакция 2H2 + O2 = 2H2O до температуры 300°С идёт крайне медленно, при 550°С — со взрывом. Присутствие катализатора (например, платины) позволяет реакции идти при обычной температуре. Спокойное горение водорода в кислороде, как и взрывное взаимодействие, — это Цепные реакции, идущие с участием радикалов свободных (См. Радикалы свободные).
Химические свойства В. В обычных условиях В. — достаточно устойчивое соединение. Распад молекул H2O (термическая диссоциация) становится заметным лишь выше 1500°С. Разложение В. происходит также под действием ультрафиолетового (фотодиссоциация) или радиоактивного излучения (Радиолиз). В последнем случае, кроме H2 и O2, образуется также перекись водорода и ряд свободных радикалов. Характерным химическим свойством В. является способность её вступать в реакции присоединения, а также гидролитические разложения взаимодействующих веществ. Восстановители действуют на В. преимущественно при высокой температуре. Только наиболее активные из них, как щелочные и щелочноземельные металлы, реагируют с В. уже при комнатной температуре с выделением водорода и образованием гидроокисей: 2Na + 2H2O = 2NaOH + Н2; Ca + 2H2O = Ca (OH)2 + H2. Магний и цинк взаимодействуют с В. при кипячении, алюминий — после удаления с его поверхности окисной плёнки. Менее активные металлы вступают в реакцию с В. при красном калении: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2. Медленное взаимодействие многих металлов и их сплавов с В. происходит при обычной температуре. Используя В., содержащую изотоп кислорода 18O, удалось показать, что при коррозии железа во влажной атмосфере «ржавчина» получает кислород именно из В., а не из воздуха (см. Коррозия металлов). Благородные металлы — золото, серебро, платина, палладий, рутений, родий, а также ртуть с В. не взаимодействуют.
Атомарный кислород превращает В. в перекись водорода: H2O + O = H2O2. Фтор уже при обычной температуре разлагает В.: F2 + H2O 2HF + О. Одновременно образуются также H2O2, озон, окись фтора F2O и молекулярный кислород O2. Хлор при комнатной температуре даёт с В. хлористоводородную и хлорноватистую кислоты: Cl2 + H2O = HCl + HClO. Бром и иод в этих условиях реагируют с В. аналогичным образом. При высоких температурах (100°С для хлора, 550°С для брома) взаимодействие идёт с выделением кислорода: 2Cl2 + 2H2O = 4HCl + O2. Фосфор восстанавливает В. и образует метафосфорную кислоту (только в присутствии катализатора под давлением при высокой температуре): 2P + 6H2O = 2HPO3 + 5H2. С азотом и водородом В. не взаимодействует, а с углеродом при высокой температуре даёт водяной газ: С + H2O = CO + H2. Эта реакция может служить для промышленного получения водорода, как и конверсия метана: CH4 + H2O = CO + 3H2 (1200—1400°С). В. взаимодействует со многими основными и кислотными окислами, образуя соответственно Основания и Кислоты. Присоединение В. к молекулам непредельных углеводородов лежит в основе промышленного способа получения спиртов (См. Спирты), альдегидов (См. Альдегиды), кетонов (См. Кетоны) (см. также Гидратация). В. участвует во многих химических процессах как катализатор. Так, взаимодействие щелочных металлов или водорода с галогенами, многие окислительные реакции не идут в отсутствие хотя бы ничтожных количеств В.
В., химически связанную с веществом, в которое она входит (неразличимую в виде «готовых» молекул H2O), называют конституционной; молекулы H2O образуются лишь в момент разложения вещества, например при сильном нагревании: Ca (OH)2 = CaO + H2O. В., входящая в состав ряда кристаллических веществ (например, алюминиевых квасцов (См. Алюминиевые квасцы) K2SO4·Al2 (SO4)3·24H2O) и различимая в этих кристаллах рентгенографически, называется кристаллизационной или кристаллогидратной. В., поглощённую твёрдыми веществами, имеющими большое число пор и развитую поверхность (например, активным углём (См. Активный уголь)), называют адсорбционной. Свободную В., заполняющую тонкие канальцы (например, в почве), называют гигроскопической (капиллярной) В. Различают также структурно-свободную В., располагающуюся в пустотах некоторых структур, например в Минералах. Качественно можно обнаружить В. в виде конденсата, образующегося при нагревании исследуемого образца; проводя нагревание при непрерывном взвешивании, получают количественные результаты (термогравиметрический анализ). В органических растворителях В. можно обнаружить по окрашиванию бесцветной сернокислой меди CuSO4, образующей с В. синий кристаллогидрат CuSO4·5H2O. Отделить и количественно определить В. часто удаётся азеотропной отгонкой её с бензолом, толуолом или другой жидкостью в виде азеотропной смеси (См. Азеотропная смесь), после расслоения которой при охлаждении измеряют объём отделившейся В.
Применение В. в промышленности. Невозможно указать другое вещество, которое бы находило столь разнообразное и широкое применение, как В. В. — химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей, азотной кислоты, спиртов, альдегидов, гашёной извести и многих других важнейших химических продуктов. В. — необходимый компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов — цемента, гипса, извести и т.п. Как технологический компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации В. применяется в многочисленных производственных процессах. В технике В. служит энергоносителем (см. Гидроэнергетика), теплоносителем (См. Теплоноситель) (паровое отопление, водяное охлаждение), рабочим телом в паровых машинах (см. Пар водяной), используется для передачи давления (в частности, в гидравлических передачах и прессах, а также при нефтедобыче) или для передачи мощности (см. Гидропривод машин). В., подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или породу (см. Гидромеханизация).
Требования, предъявляемые к В. в промышленности, весьма разнообразны. В. особой чистоты необходима для развития новейших отраслей промышленности (производство полупроводников, люминофоров, атомная техника и др.). Поэтому особое внимание уделяется в настоящее время вопросам водоподготовки (См. Водоподготовка) и водоочистки (См. Водоочистка). По некоторым оценкам, общий объём ежегодно перерабатываемых материалов (руды, уголь, нефть, минералы и т.д.) составляет во всём мире около 4 млрд. м3 (4 км3); в то же время потребление свежей В. (т. е. В. из источников водоснабжения) только промышленностью СССР составило в 1965 37 млрд. м3. Стремительный рост потребления В. ставит перед человечеством новую важную проблему — борьбы с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты (см. Водные ресурсы).
Лит.: Вернадский В. И., История природных вод, Избр. соч., т. 4, М., 1960; Горизонты биохимии, пер. с англ., М., 1964; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 1, М., 1965; Фюрон Р., Проблемы воды на земном шаре, пер. с франц., М., 1966; Круговорот воды, М., 1966; Паундер Э., Физика льда, пер. с англ., М., 1967; Виноградов А. П., Введение в геохимию океана, М., 1967; Самойлов О. Я., Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов, М., 1957; Изотопный анализ воды, 2 изд., М., 1957; Термодинамика и строение растворов, М., 1959; Краткая химическая энциклопедия, т. 1, М., 1961, с. 605—14.
В. Л. Василевский.
Вода в организме — основная среда (внутриклеточная и внеклеточная), в которой протекает Обмен веществ у всех растений, животных и микроорганизмов, а также субстрат ряда химических ферментативных реакций. В процессе Фотосинтеза В. вместе с углекислым газом вовлекается в образование органических веществ и, таким образом, служит материалом для создания живой материи на Земле.
Табл. 2. — Содержание воды в различных организмах, их органах и тканях
------------------------------------------------------------------------------
| Организмы, органы, ткани | Содержание |
| | воды, % |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Растения (наземные) | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| верхушка растущего побега | 91—93 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| листья . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75—86 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Семена злаков . . . . . . . . . . . | 12—14 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Водоросли . . . . . . . . . . . . . . . | 90—98 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Мхи, лишайники . . . . . . . . . . | 5—7 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Медузы . . . . . . . . . . . . . . . . . | 95–98 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Дождевые черви . . . . . . . . . . | 84 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Насекомые | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| взрослые . . . . . . . . . . . . . . . | 45—65 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| личинки . . . . . . . . . . . . . . . . | 58—90 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Рыбы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 70 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Млекопитающие (в т. ч. | 63—68 |
| человек) . . . . . . . . . . . . . . . . | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| скелет . . . . . . . . . . . . . . . . . | 20—40 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| мышцы . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| печень . . . . . . . . . . . . . . . . . | 75 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| Мозг человека . . . . . . . . . . . . | |
|----------------------------------------------------------------------------|
| серое вещество . . . . . . . . . . | 84 |
|----------------------------------------------------------------------------|
| белое вещество . . . . . . . . . . | 72 |
-----------------------------------------------------------------------------В. обеспечивает Тургор тканей, перенос питательных веществ и продуктов обмена (кровь, лимфа, сок растений), физическую терморегуляцию (См. Терморегуляция) (см. Транспирация, Потоотделение) и другие процессы жизнедеятельности. Жизнь, вероятно, возникла в водной среде. В ходе эволюции различные Водные животные и Водные растения вышли на сушу и приспособились к наземному образу жизни; тем не менее и для них В. — важнейший компонент внешней среды. Жизнь без В. невозможна. При недостатке В. жизнедеятельность организмов нарушается. Лишь покоящиеся формы жизни — споры, семена — хорошо переносят длительное обезвоживание. Растения при отсутствии В. увядают и могут погибнуть, но чувствительность различных растений к недостатку В. неодинакова (см. Засухоустойчивость, Ксерофиты, Мезофиты). Животные, если лишить их В., быстро погибают: упитанная собака может прожить без пищи до 100 дней, а без В. — менее 10. Содержание В. в организмах велико (см. табл. 2).
В жидкостях организма — межклеточных пространствах, лимфе, крови, пищеварительных соках, соке растений и др. — содержится свободная В. В тканях животных и растений В. находится в связанном состоянии — она не вытекает при рассечении органа. В. способна вызывать набухание коллоидов, связываться с белком и другими органическими соединениями, а также с ионами, входящими в состав клеток и тканей (гидратационная В.). Молекулы В., находящиеся внутри клеток, но не входящие в состав гидратационных оболочек ионов и молекул, представляют иммобильную В., легче гидратационной вовлекаемую в общий круговорот В. в организме (см. Водно-солевой обмен, Всасывание, Выделение).
Лит.: Зюков А. М., Обмен воды в организме. Физиология и патология, Хар., [1929]; Данилов Н. В., Физиологические основы питьевого режима, М., 1956; Кравчинский Б. Д., Физиология водно-солевого обмена жидкостей тела, Л., 1963.
В. В. Парин.
Гигиеническое значение В. Вода входит в состав всех жидкостей и тканей человеческого тела, составляя около 65% всей его массы. Потеря В. опаснее для организма, чем голодание: без пищи человек может прожить больше месяца, без В. — всего лишь несколько дней. В В. растворяются важные для жизнедеятельности организма органические и неорганические вещества; она способствует электролитической диссоциации содержащихся в ней солей, кислот и щелочей, выполняет роль катализатора разнообразных процессов обмена веществ в организме.
Физиологическая потребность человека в В., которая вводится в организм с питьём и с пищей, в зависимости от климатических условий составляет 3—6 л в сутки. Значительно большее количество В. необходимо для санитарных и хозяйственно-бытовых нужд.
Лишь при достаточном уровне водопотребления, которое обеспечивается централизованными системами водоснабжения, оказывается возможным удаление отбросов и нечистот при помощи сплавной канализации. Уровень водопотребления (в л на 1 жителя в сутки) в известной мере определяет и уровень санитарной. культуры в населённых местах (см. табл. 3).
Табл. 3. — Нормативы хозяйственно-питьевого водопотребления
------------------------------------------------------------------------------------
| Степень благоустройства | Водопотребле |
| районов жилой застройки | ние на 1 жит, л/сут |
| | (сре |
| | днесуточное, |
| | за год) |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопользованием | 30—50 |
| из водоразборных колонок | |
| (без канализации) | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с внутренним водо | 125—150 |
| проводом и канализацией | |
| без ванн) | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопроводом, ка | 150—180 |
| нализацией, ваннами и во | |
| донагревателями, работаю | |
| щими на твёрдом топливе | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| То же с газовыми нагрева| 180—230 |
| телями | |
|-----------------------------------------------------------------------------------|
| Здания с водопроводом, ка | 275—400 |
| нализацией и системой | |
| централизованного горя | |
| чего водоснабжения | |
-----------------------------------------------------------------------------------Для предупреждения опасности прямого или косвенного отрицательного влияния В. на здоровье и санитарные условия жизни населения большое значение имеют научно-обоснованные гигиенические нормативы предельно допустимого содержания в В. химических веществ. Эти нормативы являются основой государственных стандартов качества питьевой В. (ГОСТ — 2874) и обязательны при проектировании и эксплуатации хозяйственно-питьевых (коммунальных) водопроводов. В интересах здравоохранения в 60-х гг. 20 в. во всех социалистических странах, в США, Франции были пересмотрены стандарты качества питьевой В. Международные стандарты питьевой В. были опубликованы Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в 1963; в 1968 закончена разработка проекта нового стандарта качества питьевой В. в СССР.
Потребление В. населением должно быть безопасно в эпидемиологическом отношении; В. не должна содержать болезнетворных бактерий и вирусов. Водный путь распространения характерен для возбудителей холеры, брюшного тифа, паратифов и лептоспирозов, в известной мере также для возбудителей дизентерии, туляремии, эпидемического гепатита, бруцеллёза. С В. в организм человека могут попадать цисты дизентерийной амёбы, яйца аскарид и др. Эпидемиологическая безопасность В. обеспечивается очисткой сточных вод и их обеззараживанием, мерами санитарной охраны водоёмов (См. Санитарная охрана водоёмов), очисткой и обеззараживанием водопроводной В.
Показателями безопасности В. в эпидемиологическом отношении являются: 1) общее количество бактерий (выращиваемых на питательной среде — агаре при t 37°С) — не более 100 в 1 мл; 2) количество кишечных палочек (выращиваемых на плотной питательной среде с концентрацией на мембранных фильтрах) — не более 3 в 1 л. При использовании жидких сред накопления титр кишечной палочки должен быть не менее 300. По проекту ГОСТа (1968) к бактериям группы кишечной палочки относятся грамотрицательные неспороносные палочки, факультативные анаэробы, способные сбраживать глюкозу с образованием кислоты и газа при t 35—37°С в течение 24 часов.
Природный состав В. издавна привлекал к себе внимание как возможная причина массовых заболеваний неинфекционной природы. Содержание в В. хлоридов, сульфатов и продуктов разложения органических веществ (аммиак, нитриты и нитраты) рассматривалось лишь как косвенный показатель опасного для здоровья населения загрязнения В. бытовыми стоками. Благодаря применению новых методов исследования были обнаружены районы с недостатком или избытком в В. тех или иных микроэлементов. В этих районах наблюдаются своеобразные изменения флоры и фауны. В связи с недостаточным или избыточным поступлением в организм микроэлементов с В. и с пищей, среди населения отмечаются характерные заболевания. Так, развитие эндемического Флюороза вызывается недостаточным содержанием фтора в питьевой В., причём выявлена прямая связь между концентрацией фтора в В. и частотой и тяжестью поражения зубов. Фтор питьевой В. оказывает также влияние на фосфорно-кальциевый обмен и на процесс кальцификации костей. Для фтора питьевой В. характерен малый диапазон концентраций от токсических до физиологически полезных. В связи с этим установлено, что содержание фтора в питьевой В. не должно превышать 0,7—1,0 мг/л (до 1,2 при фторировании В.) в зависимости от климатических условий. Долгое время существовало представление о содержащихся в В. нитратах как о косвенных показателях бытового загрязнения В. Однако наличие повышенных концентраций нитратов обнаруживается и в природных подземных В. и даже в В. артезианских водоносных горизонтов (Молдавская ССР, Татарская АССР, район Владивостока). Использование в молочных смесях для детского питания В., содержащей повышенные концентрации нитратов, вызывает у детей метгемоглобинемию (См. Метгемоглобинемия) разной тяжести. Водонитратная метгемоглобинемия встречается и у детей старших возрастов, поэтому она приобретает черты эндемического заболевания. (См. табл. 4).
Табл. 4. — Показатели безвредности химических веществ (природных и добавляемых в процессе обработки) в питьевой воде
----------------------------------------------------------------------
| Наименование ингре | Содержание в |
| диентов и веществ | воде, мг/л, |
| | не более |
| | |
|---------------------------------------------------------------------|
| Свинец . . . . . . . . . . . . | 0,1 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Мышьяк . . . . . . . . . . . | 0,05 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Фтор . . . . . . . . . . . . . . | 0,7—1,5 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Берилий . . . . . . . . . . . | 0,0002 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Молибден . . . . . . . . . | 0,5 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Нитраты (по N) . . . . . | 10,0 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Полиакриламид (ПАА) | 2,0 |
|---------------------------------------------------------------------|
| Стронций . . . . . . . . . . | 2,0 |
---------------------------------------------------------------------Первые водные интоксикации были отмечены во 2-й половине 19 в. в Западной Европе (свинцовые «эпидемии») вследствие применения свинцовых труб в водопроводной технике (применение таких труб в СССР запрещено). Свинец обнаруживается и в В. подземных источников, в концентрациях, которые не безразличны для организма из-за возможности длительного действия.
Среди химических веществ, обнаруживаемых в питьевых В., могут встречаться также вещества, которые в небольших концентрациях изменяют органолептические свойства В. (запах, вкус, прозрачность и пр.). Наиболее часто органолептические свойства В. изменяют содержащиеся химические вещества, в природных В. (соли общей минерализации, железо, марганец, медь, цинк и др.), остаточные количества соединений, используемые как реагенты при обработке В., а также промышленные загрязнения водоёмов.
Показатели, обеспечивающие благоприятные органолептические свойства В., приведены в табл. 5.
Табл. 5.—Показатели благоприятных органолептических свойств воды при содержании в ней природных или добавляемых в процессе очистки веществ
--------------------------------------------------------------------------------
| Наименование ингреди | Содержание в |
| ентов и веществ | воде, мг/л, |
| | не более |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Мутность по стандарт | 1,5 |
| ной шкале . . . . . . . . . . . | |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Железо . . . . . . . . . . . . . . | 0,3 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Марганец . . . . . . . . . . . . | 0,5 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Медь . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Цинк . . . . . . . . . . . . . . . . | 5,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Хлориды . . . . . . . . . . . . . | 350 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Сульфаты . . . . . . . . . . . . | 500 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Сухой остаток . . . . . . . . . | 1000 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Триполифосфат . . . . . . . | 5,0 |
|------------------------------------------------------------------------------|
| Гексаметафосфат . . . . . | 5,0 |
-------------------------------------------------------------------------------В случае применения В. для обработки серебра остаточная концентрация его не должна быть больше 0,05 мг/л. Для органолептических свойств В. также существуют нормативы: запах и привкус на уровне 2 баллов, цветность по шкале —20°, жёсткость —7,0 мг/экв и pH в пределах 6,5—9,0. При содержании в В. одновременно хлоридов, сульфатов, марганца, меди, цинка сумма их концентраций, выраженная в долях от максимально допустимых концентраций каждого вещества, не должна превышать 1.
Лит.: Руководство по коммунальной гигиене, т. 2, М., 1962; Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922—1932 гг., М. — Л., 1940; Международные стандарты питьевой воды, 2 изд., пер., М., 1964.
С. Н. Черкинский.
Рис. 1. Структура молекулы воды: а — геометрия молекулы H2O (в парообразном состоянии); б — электронные орбиты в молекуле H2O; в — электронная формула молекулы H2O (видны необобществленные электронные пары); г — четыре полюса зарядов в молекуле H2O расположены в вершинах тетраэдра.
Рис. 2. Кристаллическая структура льда.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия
1969—1978
Вопрос-ответ:
