Коричневая сточная вода? Загрязнение воды
Bода жизненно необходима для нашего существования. В частности, тело человека на 70% состоит из воды. Впрочем, основная масса воды, находящейся на Земле, является морской и лишь 2% — пресной. Примерно 3/4 запасов пресной воды составляют лед и глетчеры. Однако количество свежей воды, пригодной для питья (питьевой воды), настолько мало, что это вызывает серьезное беспокойство не только экологов, но и широких слоев населения.
Уверен, что вы интересуетесь качеством той воды, которой моетесь, поливаете газон, употребляете для питья и приготовления пищи. Однако если вы не живете в сельской местности, то, скорее всего, редко задумываетесь о составе воды, которой поливают поля и которую пьют домашние животные, а ведь это напрямую связано с качеством нашего питания.
Кроме того, при помощи воды отводятся отходы из наших домов и вырабатывается электроэнергия, ее используют в химических реакциях и башенных охладителях (градирнях). К тому же любой водоем — прекрасное место для отдыха: это и катание на лодках, и плавание, и ловля рыбы. Все это требует достаточного количества хорошей, чистой воды.
Откуда приходит вода? Каким образом она загрязняется и как очищается? Это лишь часть вопросов, обсуждаемых в данной главе. Так что откиньтесь на спинку стула, возьмите стакан воды и займитесь ею.
От куда происходит вода и куда она уходит
Количество воды на нашей планете относительно постоянно, но ее состав и местонахождение могут меняться. Вода перемещается в окружающей среде, проходя так называемый водяной цикл (он также называется гидрологическим). Схема этого цикла показана на рис. 19.1.
I
Рис. 19.1. Водяной (гидрологический) цикл
Испарение, конденсация и опять то же самое
Вода испаряется из озер, рек, океанов, деревьев и даже людей. (Испарение — это происходящий при нагревании переход из жидкого состояния в газообразное.) При испарении вода избавляется от всех содержащихся в ней загрязняющих веществ. (Вот почему на внутренней стороне головного убора проступает соль.) Процесс испарения — это один из естественных способов очистки воды.
Затем, в зависимости от преобладающих ветров, водяной пар может либо совершать многокилометровые путешествия, либо оставаться на месте. Рано или поздно пар конденсирует -ся и вновь попадает на землю, выпадая в виде осадков: дождя, снега или града. (Конденсация — это происходящий при охлаждении переход из газообразного состояния в жидкое.)
Откуда берется вода
Вода в виде осадков может выпадать на землю, а затем накапливаться в озере или реке. В этом случае она рано или поздно находит путь в море. Если же вода выпадает на поверхность земли, то она образует сток и со временем попадает в озеро или реку либо впитывается в почву и тем самым пополняет грунтовые воды. Пористый слой почвы и скальная порода, содержащие грунтовые воды, называются водоносным пластом. Этот пласт служит источником грунтовых вод. Именно из таких пластов мы берем воду, когда пользуемся колодцами и естественными источниками.
К сожалению, деятельность человека зачастую оказывает негативное влияние на этот цикл. Уничтожение растительности приводит к увеличению стока, в результате чего в почву впитывается меньше воды. Построенные дамбы и водохранилища увеличивают площадь по-
верхности воды, с которой она может испаряться. Если грунтовых вод расходуется больше, чем поступает в водоносные пласты, это приводит к истощению данных пластов и, как следствие, к нехватке воды. Кроме того, в процессе жизнедеятельности человека происходит загрязнение воды самыми разными способами, которые описываются в этой главе.
Вода — самое необычное вещество
Молекула воды является полярной. Подробно о полярных молекулах речь идет в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски», а сейчас приведем лишь краткие сведения, относящиеся к воде. Кислород характеризуется высокой электроотрицательностью (притяжением общей пары электронов) по сравнению с атомами водорода, поэтому в молекуле воды общая электронная пара притягивается ближе к атому кислорода. При этом кислородная часть молекулы приобретает частичный отрицательный, а атомы водорода — частичный положительный заряд. Когда водород, имеющий частичный положительный заряд, одной молекулы воды притягивается к кислороду, имеющему частичный отрицательный заряд, другой молекулы воды, то между этими молекулами возникает достаточно сильное взаимодействие. (Где мой редактор, чтобы разобраться с такой закрученной фразой?) Это взаимодействие называется водородной связью (H-связью). Только не нужно путать ее с водородной бомбой. Это два абсолютно разных понятия. Водородные связи, образующиеся в воде, показаны на рис. 19.2.
Рис. 19.2. Водородные связи в воде
Благодаря наличию водородных связей вода обладает некоторыми весьма необычными свойствами.
S У воды очень высокое поверхностное натяжение. На молекулы воды, расположенные на поверхности, действуют силы притяжения, которые направлены только вниз, в толщу жидкости. С другой стороны, на молекулы, расположенные в толще жидкости, действуют силы, направленные во все стороны. Например, некоторые мелкие жучки и ящерицы могут буквально ходить по воде, так как вследствие своего малого веса они не прикладывают достаточно
силы, чтобы разорвать поверхностное натяжение. Кроме того, высокое поверхностное натяжение воды означает, что скорость ее испарения на самом деле ниже, чем можно было ожидать.
S При обычных температурах, характерных для нашей планеты!, вода на-
ходится в жидком состоянии. Как правило, точка кипения жидкости связана с ее молекулярной массой. Однако вещества, имеющие примерно такую же молекулярную массу, как у воды (18 г/моль), кипят при более низких температурах, а при нормальной комнатной температуре находятся в газообразном состоянии.
^ Лед, т.е. вода в твердом состоянии, находясь в жидкой воде, не тонет. Как
правило, плотность твердого тела выше, чем у соответствующей ему жидкости, так как частицы твердого тела расположены ближе друг к другу. Однако при замерзании воды образуется кристаллическая решетка с большими пустотами (их размеры несколько превышают размеры молекулы H2O), появление которых вызвано наличием водородных связей. Таким образом, плотность льда меньше, чем у воды (рис. 19.3).
Водородные связи
Рис. 19.3. Структура льда
Плавучесть льда — одна из причин того, что на Земле существует жизнь во всем своем многообразии и величии. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то с приближением зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям. Так продолжалось бы до тех пор, пока температура всей воды в водоеме не достигла бы 0 °С. Затем вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю глубину. При этом многие формы жизни, например растения и рыбы, в воде были бы невозможны. Однако, поскольку наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении данной температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает нижележащие слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
S У воды сравнительно высокая теплоемкость. Теплоемкость вещества — это количество теплоты, необходимое для того, чтобы температура вещества изменилась на 1 °C. Удельная теплоемкость воды почти в 10 раз больше, чем у железа, и в 5 раз больше, чем у алюминия. Это значит, что озера и океаны могут накапливать огромные количества теплоты без резких перепадов температуры, а это, в свою очередь, позитивно влияет на температуру воздуха. Озера накапливают тепло в течение дня и отдают его за ночь. Не будь у воды высокой теплоемкости, Земля каждые сутки испытывала бы резкие скачки температуры.
S У воды высокая теплота парообразования. Теплота парообразования какой-либо жидкости — это количество энергии, необходимое для превращения 1 г этой жидкости в газ. Теплота парообразования воды равна 54 кал/г (более подробно о калории, метрической единице теплоты, можно узнать из главы 2, «Вещество и энергия»). Благодаря высокой теплоте парообразования от наших тел при испарении вместе с потом отводится большое количество теплоты. Кроме того, это свойство дает возможность сохранять на Земле сравнительно умеренный климат без резких перепадов температуры.
S Вода — прекрасный растворитель для большого количества веществ.
Действительно, воду иногда называют универсальным растворителем. Поскольку молекула воды полярная, она является растворителем для полярных веществ. В воде легко растворяются соединения с ионной связью; катионы (положительно заряженные ионы) окружаются отрицательными частями молекул воды, в то время как анионы (отрицательно заряженные ионы) окружаются положительными частями ее молекул. (Подробнее ионы, катионы и анионы описаны в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи».) Точно таким же образом вода растворяет многие полярные ковалентные соединения, например спирты и сахар (более подробно об этих соединениях можно узнать из главы 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски»). Это довольно полезное свойство, однако оно также означает, что вода растворяет многие нежелательные или даже вредные для нас вещества, которые в дальнейшем мы будем называть общим термином загрязнители.