ВОДА. ВОДОРОД

Вода в жизни человека

Вода играет в жизни человека не менее важную роль, чем в жизни природы. Человек пользуется водой для питья, пополняя тем самым запас воды в своем организме. Кроме того, вода человеку необходима для различных технических целей.
Для своих целей человек использует все виды природной воды, главными источниками которой, конечно, являются ключи, реки и озера. Но большая часть пресной воды (85%) находится на полюсах Земли в виде ледников.
В воде из водопроводов, колодцев и родников растворены разные соли и газы. Часто ключевая (минеральная) вода содержит вещества, способствующие излечению человека.
Вода, которая хранится в серебряных сосудах, обладает лечебными свойствами, что было известно еще до нашей эры. Правитель Древней Персии Кир в военных походах питьевую воду сохранял в серебряных сосудах. А в Древней Индии накаленные серебряные стержни погружали в воду и потом ее использовали для обмывания ран.
Детей крестят святой водой. Что это значит? В воду до крещения опускают серебряный крест и выдерживают его там некоторое время. Немного серебра (в виде ионов) переходит в воду. В такой воде погибают микроорганизмы.
Даже такое вещество, как стекло, в воде немного растворяется. В этом можно убедиться, если небольшой кусок стекла в ступе растереть в порошок, а затем всыпать его в колбу с водой и много раз взбалтывать. При добавлении к раствору фенолфталеина появляется розовая окраска, что свидетельствует о растворении стекла.
С каждым годом человечеству все больше не хватает воды. Еще в XVI в. королева Англии Елизавета I назначила премию, пока еще никому не врученную, за изобретение недорогого способа опреснения морской воды. В настоящее время для получения из морской воды 1 км³ пресной требуется 7 млн т условного топлива или 2,8 т ядерного горючего.
В тех местах, где нет упомянутых легкодоступных источников воды, пользуются грунтовыми водами, устраивая для ее добывания колодцы.
Устройство таких колодцев возможно, конечно, только в тех случаях, когда водонепроницаемый слой лежит не очень глубоко. В тех случаях, когда подземные воды находятся на значительной глубине, что сильно затрудняет рытье обыкновенного колодца, прибегают к бурению, т. е. к долблению или сверлению глубокой узкой скважины. По вставленной в скважину железной трубе подземная вода очень часто в силу большого давления, под которым она находилась внутри земли, сама по себе поднимается на поверхность и иногда бьет фонтаном.

Искусство делать глубокие колодцы или буровые скважины известно людям с незапамятных времен. Китайцы устраивали такие колодцы глубиною более 300 м. Древние египтяне умели с помощью подобных колодцев превращать пустынные области в цветущие, плодоносные оазисы. В Европе эти колодцы впервые появились лишь в XII в. во французском графстве Артуа, откуда они и получили свое название «артезианские».
Наконец, в тех случаях, когда совершенно нет природных доступных запасов воды, приходится пользоваться атмосферными осадками. Для их сбора с глубокой древности применяют так называемые цистерны, которые представляют собой вырытые в земле вместилища с водонепроницаемыми стенками, закрытые сверху. В цистерны поступает дождевая вода с гор, а в ровных местностях с крыш зданий.

Цистерна для сбора атмосферных осадков: а – продольный разрез; б – поперечный разрез

На рисунке (внизу слева) изображена цистерна в продольном (а) и поперечном (б) разрезах. Вода, поступающая в нее через боковую трубу, берется при помощи насоса, опущенного в широкий сетчатый цилиндр с песком, через который она фильтруется. Для очистки цистерны служит люк, закрытый крышкой. Делаются цистерны и более простого устройства, из которых воду забирают ведрами.

Вода для питья

Далеко не всякая вода может служить для питья. Природная вода может содержать минеральные примеси (растворенные неорганические вещества), из которых многие вредны для организма человека (например, соли свинца, меди и т.п.), и, кроме того, в ней могут встречаться бактерии, являющиеся причиной заразных болезней.
Вода, содержащая механические примеси, часто бывает мутной. В большинстве случаев эта муть безвредна для здоровья человека, но, несмотря на все уверения врачей-гигиенистов, человек чувствует инстинктивное недоверие к воде, не обладающей физической чистотой, – мутной, пахучей и т. п. И если ему предстоит выбирать между водой неприятной на вид, но заведомо безвредной, и водой, чистой по внешнему виду, но, быть может, содержащей бактерии, человек почти всегда предпочитает вторую.
По своему внешнему виду питьевая вода должна быть совершенно прозрачна, бесцветна, без запаха и иметь пресный (не соленый) вкус. Кроме того, по своему химическому составу вода должна быть совершенно безвредна.
Наконец, пригодной для питья водой может считаться лишь вода с возможно меньшим содержанием микроорганизмов, особенно болезнетворных.
В больших городах трудно найти источники воды, отвечающей всем перечисленным выше требованиям, и для того, чтобы снабдить население доброкачественной водой, в городах приходится прибегать к ее очистке. Совершенно очистить и получить химически чистую воду можно, как известно, перегонкой. Чистая дистиллированная вода представляет собой прозрачную жидкость без запаха и вкуса. Привычным нам приятным вкусом обладает только вода, содержащая надлежащее количество растворенных солей и газов.
Дистиллированная вода не только неприятна на вкус, но и вредна. При продолжительном употреблении ее для питья она выщелачивает содержащиеся в клеточном соке соли, что ведет к более или менее серьезным заболеваниям. Вредное действие воды некоторых горных источников объясняется не присутствием каких-либо ядовитых веществ, а тем, что эта вода, получающаяся при таянии снега, слишком чиста.
Питьевая вода должна содержать небольшое количество растворенных солей и газов. В тех редких случаях, когда для очистки питьевой воды пользуются перегонкой, к дистиллированной воде прибавляют нужное количество солей и насыщают ее газами воздуха. Сравнительно недавно
г. Баку, где вода загрязнена нефтью, снабжали такой водой. Для этого был построен завод, который занимался перегонкой морской воды. Но этот способ очень дорогой, т. к. требует большого количества топлива. В настоящее время Баку снабжают питьевой водой из водопровода длиной в несколько сотен километров, устройство которого оказалось выгоднее, чем очищать воду перегонкой. В большинстве случаев питьевую воду очищают фильтрованием и различными химическими методами.

Очистка воды для питья

Для фильтрования больших количеств воды в основном пользовались песочными фильтрами. Существует два типа песочных фильтров: медленно действующие и быстро действующие. Медленно действующие фильтры представляют собой громадные вырытые в земле водоемы, площадью поверхности до 2000–4000 м² и около 5 м глубиной. Над водоемами устраивают сводчатое перекрытие, поверх которого насыпают обычно слой земли, прикрытый дерном для предохранения от замерзания зимой и от нагревания лучами солнца летом. Внутри эти бассейны выложены цементом или другим водонепроницаемым материалом. На дне такого фильтра выкладывают слой гравия и затем слой мелкого песка. Общая толщина слоя около 3 м. Вода, поступая сверху, медленно проходит через песок, собирается в расположенные на дне фильтра сборные трубы, откуда поступает в водопроводную сеть.
Скорость фильтрации, т.е. величина столба воды, проходящего через единицу поверхности медленно действующего фильтра, не должна превышать 10 см/ч. Вот почему и нужна такая громадная их поверхность.
Фильтр начинает давать достаточно чистую, вполне пригодную для питья воду не сразу, а только после того, как на поверхности песка образуется пленка из содержащихся в воде примесей. Эта фильтрующая пленка играет главную роль при очистке воды. Кроме чисто механического задерживания мельчайших частиц, взвешенных в воде, фильтрующая пленка способствует обеззараживанию воды, т. к. в ней развиваются микроорганизмы, уничтожающие болезнетворные бактерии. Чем толще становится илистая пленка на поверхности песка, тем вода лучше очищается, но вместе с тем уменьшается скорость фильтрации, и наконец фильтр начинает настолько медленно работать, что его приходится очищать. Для этого воду из фильтра выпускают и осторожно удаляют верхний слой (30–40 см) песка вместе с пленкой, после чего фильтр снова дополняют чистым, промытым песком и запускают в действие. Первые порции воды после очистки фильтра непригодны к употреблению. Необходимо выждать, пока фильтр «созреет», т.е. образуется фильтрующая пленка надлежащей толщины. Чтобы не лишать население воды во время чистки и созревания фильтра или ремонта, устраивают всегда несколько бассейнов, из которых часть находится в работе, часть – чистится, часть – ремонтируется.
Фильтры быстро действующие по существу мало отличаются от системы медленно действующих песчаных. Разница заключается только в том, что они несравненно меньше по своим размерам и фильтрующий слой песка невелик (всего 10—12 см). Фильтр имеет вид цилиндрического железобетонного сосуда с двойным дном. На верхнее дырчатое дно насыпают песок. Вода, подлежащая очищению, поступает сверху, проходит всю толщу песка и выходит из-под фильтра в расположенный под ним трубопровод чистой воды. Фильтрация происходит со значительной скоростью 1–3 м/ч, т.е. в 10–30 раз быстрее, чем при медленной системе.
Быстрое фильтрование влечет за собой быстрое загрязнение и вызывает необходимость частой очистки фильтра, для чего фильтр промывается обратным током чистой воды в течение 5–10 мин. Одновременно запускается мешалка в виде грабель, перемешивающая песок и способствующая отделению частиц грязи от песка. Грязная вода, получаемая при промывке фильтра, перетекает через края желоба и затем по отводной трубе направляется в сточную канаву. Все трубы имеют краны, при помощи которых можно направлять воду в ту или другую сторону.
Так же, как и фильтр медленно действующей системы, быстро действующий фильтр должен созреть, т. е. на поверхности песка должна образоваться фильтрующая пленка, необходимая для задержания самых мелких частичек. По этой причине после промывки первые 10 мин фильтрат отводят в сточную трубу.
Значительная скорость фильтрации песчаных фильтров позволяет значительно сократить площадь, занятую под водоочистительные сооружения. Фильтры первой системы для большого города занимают площадь в несколько гектаров, быстро действующие фильтры требуют для своей установки площади в 30–40 раз меньше. Кроме того, расходы по содержанию и уходу за такими фильтрами значительно меньше.
Однако при быстрой фильтрации очистка воды от микроорганизмов несколько хуже, чем при медленно действующих фильтрах. В связи с этим для получения вполне доброкачественной питьевой воды на быстро действующих фильтрах перед фильтрованием применяется предварительная подготовка воды и после фильтрования окончательная химическая очистка.

На водоочистительных станциях для окончательного обеззараживания воды, т.е. для уничтожения по возможности последних остатков бактерий, воду обрабатывают химическими веществами, убивающими бактерии. Так, на петербургской станции еще в 1960-х гг. через воду пропускали озонированный воздух, но в настоящее время этот хороший, но дорогостоящий способ обеззараживания воды заменен хлорированием. Для этого часть воды пропускают через аппарат, в который одновременно подает из стального баллона струя хлора. Полученный раствор хлора поступает непосредственно в главную водопроводную трубу – магистральную. Количество хлора рассчитано таким образом, чтобы за время, пока вода из магистральной трубы начнет расходиться по водопроводам квартир, он весь прореагировал с водой. В результате в воде оказывается примесь ничтожного количества соляной кислоты, совершенно безвредная. Бактерии же все или почти все за это время погибают, убиваемые атомарным кислородом в момент выделения:

Н₂О + Сl₂ = 2НСl + O.

Вместо чистого хлора к воде иногда прибавляют белильную известь – смесь Са(СlO)₂ и CaCl₂, которая легко вступает в реакцию с содержащейся в воде углекислотой:

Са(СlО)₂ + Н₂СO₃ = СаСО₃ + 2НСlO,

при этом образуется свободная хлорноватистая кислота НСlO, которая, распадаясь, выделяет кислород:

2НClO = 2НСl + О₂.

Вместо белильной извести можно пользоваться также гипохлоритом натрия NаСlO, который обычно получают непосредственно на очистительной станции электролизом раствора поваренной соли.

Вода для технических целей

В природной воде присутствуют растворенные в ней соли кальция, магния, железа, которые вызывают жесткость воды. Различают жесткость временную, обусловленную гидрокарбонатами, например, кальция и постоянную из-за присутствия в ней хлоридов, сульфатов и других растворенных соединений кальция, магния, железа.
При кипячении жесткой воды содержащиеся в ней гидрокарбонаты, например Са(НСО₃)₂, распадаются с выделением углекислого газа и образованием нерастворимых в воде солей (СаСО₃). Вода перестает быть жесткой. Жесткость, вызванная присутствием в воде сульфатов кальция или магния, не удаляется кипячением.
Большое количество природной воды используется в теплообменных аппаратах (паровые котлы, водонагреватели), растворенные в воде соли вызывают образование на стенках парового котла твердых осадков, называемых котельной накипью или котельным камнем. Например, при нагревании гидрокарбонаты кальция и магния распадаются с образованием нерастворимых солей:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + CO₂.

Котельная накипь оседает или в виде рыхлой массы, или чаще в виде кристаллической корки, плотно пристающей к стенкам котла.
Образование накипи утолщает стенки котла и тем самым уменьшает их теплопроводность, что вызывает излишний расход топлива. Стенки котла быстро изнашиваются от лишнего перегревания и особенно от ударов при механической очистке котла от накопившейся накипи. При накаливании стенок накипь (из-за различных коэффициентов расширения) местами отстает от них иногда большими пластами. В образовавшийся зазор между стенкой котла и отставшим пластом проникает вода. Соприкасаясь с сильно раскаленной стенкой, она быстро превращается в пар, развивается большое давление, и нередко котел взрывается. Наконец, если накипь выделяется в виде грязи или рыхлой массы, может происходить сильное вспенивание воды и загрязнение водомерных трубок, манометров и других частей машины.
Для борьбы с вредным влиянием накипи в технике используют различные способы.
В некоторых случаях устраивают в котлах особые вкладыши. Самый простой вкладыш представляет собой железное корытце, расположенное в котле так, чтобы между его дном и стенкой оставался зазор. При таком устройстве между стенкой котла и вкладкой происходит сильная циркуляция воды, осадки взмучиваются, уносятся вверх, и накипь образуется исключительно на вкладыше, который легко вынуть из котла и вычистить.
В некоторых котлах делают особые сборники для собирания осадков, смазывают стенки котла изнутри дегтем или нефтяными маслами для устранения прилипания накипи к стенкам или прибегают к частому продуванию котла. Но все это мало помогает.

Физиологическая роль воды

Наши представления о воде не были бы достаточно полными, если бы мы не остановились на физиологической роли воды.
Физиологическая роль воды станет легкопонятной, если вспомнить, что человек, растения и животные в основном состоят из воды. На 100 кг взрослого человеческого тела приходится до 70 кг, а у детей – до 90 кг воды. Картофель содержит 75% воды, свекла – 88%, огурцы – 95%.

Содержание воды в пищевых продуктах

Весь обмен веществ, необходимый для роста и развития животного или растительного организма, происходит в растворах. Растения всасывают необходимые им питательные вещества в виде уже готовых растворов из почвы. Твердая пища животных переводится в растворимое состояние под влиянием действия слюны, желудочного сока, сока поджелудочной железы и желчи. Раствор питательных веществ переходит в систему кровеносных сосудов и вместе с кровью разносится по всему телу, где, вновь переходя в нерастворимое состояние, питательные вещества расходуются на построение новых частей организма. В результате различных химических процессов, главным образом окисления, в организме образуются вредные для него продукты (например, мочевина), которые избытком воды выводятся наружу.
Вода, таким образом, участвует во всех сторонах жизни природы, и жизнь на Земле немыслима без воды.

Окончание следует

П.А.КОШЕЛЬ