Вода, которую мы пьем. Глава 1. Значение воды в нашем мире и ее свойства (Михаил Ахманов)

Уникальность воды

В.И. Вернадский писал о воде так: «Вода 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 бы не заключало. Все земное вещество ею проникнуто и охвачено».

В самом деле, три четверти поверхности нашего мира заняты водой – океанами, морями, озерами, реками, а пятая часть суши покрыта снегом и льдом. Пары воды присутствуют в атмосфере, сообщая ей влажность, формируют облака и тучи, проливаются на землю дождем. В почве и верхнем слое земной коры находятся подпочвенные воды и скрытые подземные водоемы. Наконец, животные и растения большей частью состоят из воды, в том числе и человек: вода составляет 70 % массы нашего тела. Пожалуй, в распространенности воды, в том, что водой все «проникнуто и охвачено», и заключается ее главнейшее уникальное свойство.

Вторым по значению свойством является способность воды растворять вещества. Вода – универсальный растворитель. Благодаря этому ее состав не исчерпывается формулой H₂O. В воде содержатся практически все элементы Периодической таблицы, а также газы, основания, кислоты, соли и органические вещества. Все прочие жидкости, которые мы пьем, или употребляем с пищей, или используем в быту и технике, – все, начиная от спирта, вина, духов, микстур и кончая электролитами, жидкими маслами и бензином, – являются водными растворами той или иной концентрации. При этом множество веществ, которые в газообразной или твердой фазе состоят из нейтральных молекул, в воде диссоциируют, то есть распадаются на ионы, а это ведет к изменению как их свойств, так и свойств самого раствора. Говоря простейшим языком, диссоциация резко увеличивает способность веществ вступать в химические и биохимические реакции. Огромное количество этих реакций, включая явление, называемое жизнью, протекает именно в водной среде.

Третье уникальное свойство воды заключается в том, что на Земле она присутствует одновременно в трех состояниях или, употребляя физическую терминологию, в трех фазах – газообразной, жидкой и твердой, то есть в виде водяного пара, собственно жидкой воды и льда. Не пытайтесь отыскать другое вещество, которое обладало таким же свойством! Возьмем, например, газ кислорода – он превращается в жидкость при температуре —183 °C, а в твердую фазу при –218 °C. Железо, твердый металл, становится жидкостью (расплавом) при +1539 °C, а в парообразное состояние переходит при огромной температуре +3200 °C. Примерно таким же образом ведут себя другие вещества, газообразные или твердые при том давлении и диапазоне температур, которые выдерживаются на Земле: давление – около 760 мм рт. ст., температура – от —50 до +50 °C. Немногие из нас помнят точки плавления железа и твердого кислорода и точки их кипения, но эти характеристики для воды мы затвердили наизусть, ибо на них основана температурная шкала Цельсия: 0 °C – точка плавления льда, +100 °C – точка кипения воды. Но вода с легкостью переходит в пар и при более низких температурах, о чем известно всякому: выстиранная ткань быстро высыхает, как и вымытая посуда. И мы, конечно, знаем о необычном свойстве воды расширяться при замерзании, о том, что лед легче воды, тогда как у остальных веществ все происходит наоборот: при охлаждении и переходе в твердую фазу их объем уменьшается.

Как видим, вода – уникальная субстанция!

Круговорот воды в природе

Круговорот воды в природе имеет прямое отношение к теме данной книги, то есть к питьевой воде. Под действием солнечных лучей вода из открытых водоемов постоянно испаряется, а пар поднимается в воздух, формируя облака и тучи, которые очень подвижны: быстро распространяются воздушными массами. В тропических широтах Земли они затем проливаются дождями, а в областях умеренного климата, в зависимости от сезона, выпадают в виде дождя или снега. Нужно заметить, что эти процессы имеют поистине титанический масштаб: за год испаряется 450 тыс. км³ океанической воды, а с поверхности континентов – 70 тыс. км³. Эта влага затем выпадает с осадками: на поверхность мирового океана – 420 тыс. км³, а на сушу – 100 тыс. км³, но избыток континентальных вод переносится в океан реками. Если перейти к меньшему, чем год, временному периоду, то окажется, что за одну минуту испаряется 1 км³, или 1 млрд. т, воды, причем каждый грамм пара уносит в атмосферу 537 калорий солнечной энергии.

Принесенная дождем влага попадает обратно в водоемы (сразу из атмосферы, если, например, дождь шел над морем) либо пропитывает почву и частью испаряется, частью проникает в подпочвенные воды, частью стекает опять же в водоемы. Если осадки были в виде снега, то ничего, в сущности, не меняется: снега тают в урочный час, и талые воды проделывают тот же путь, что и дождевые.

Круговорот воды, включающий ливни, дожди, снегопады, наводнения и другие, был, при всех бедах, вызванных природными катаклизмами, в общем-то благоприятным для человека. Дожди и талые воды орошали землю, привносили в нее вещества, полезные как для диких растений, так и культурных, производили естественную санацию среды. После наводнений оставался плодородный ил. Но все это происходило в ту патриархальную эпоху, не знавшую стиральных порошков, химических удобрений и двигателей внутреннего сгорания, когда человеческая деятельность еще не стала природообразующим фактором, когда человек являлся частью среды обитания, а не стоял над ней, и все произведенные им отходы жизнедеятельности перегнивали или хоронились в земле, не порождая ядов и вредных химических загрязнений. В былые времена любые пресные воды, за исключением болотных, считались питьевыми. Была морская вода и просто вода, без всяких дополнительных определений: вода – это то, что можно пить. Теперь же мы говорим об особой разновидности воды – питьевой, и это не единственная перемена: вспомните, есть еще воды, подходящие и не подходящие для купания, есть воды сточные, есть кислотные дожди и сливы предприятий, к которым даже приближаться страшно. Теперь круговорот воды в природе прочно сцеплен с техногенной обстановкой – вот реальность, о которой нельзя забывать.

Нам уже известно, что вода – раствор, состоящий из множества химических веществ техногенного и природного, как правило минерального, происхождения. В воде присутствуют:

– отдельные химические элементы (точнее, их ионы) – легкие металлы (литий, натрий, калий, магний, кальций), более тяжелые металлы (хром, марганец, железо, цинк, ртуть, свинец и многие другие) и даже серебро, золото и радиоактивные элементы. Есть углерод, фосфор, сера, йод и другие металлоиды;

– газы – кислород, озон, фтор и хлор; могут быть даже метан, сероводород и радиоактивный газ радон. Газы придают воде тот или иной запах;

– неорганические вещества – соли, кислоты, щелочи (основания);[3]

– органические вещества, которых очень много (гораздо больше, чем неорганики); одни из них для нас относительно безвредны, другие нежелательны, а третьи – настоящий яд;

– не растворенные до конца механические примеси органического и неорганического происхождения (взвешенные вещества или взвеси) – песок, ил, ржавчина, частицы глины и так далее. Они сообщают воде мутность и при отстаивании дают осадок.

В данном случае я говорю о водах нашего современного мира, в которых могут присутствовать – и присутствуют – не только естественные компоненты, но также бытовые и промышленные отходы вроде фенола, хлорорганики и прочего, о чем лет двести тому назад не было даже известно. Здесь мы ограничимся кратким описанием состава воды, а в последующих главах подробно разберем состав питьевой воды, акцентируя внимание на том, какие примеси для нас полезны, а какие вредны. В этом разделе будет представлена классификация вод, чтобы окончательно обозначить предмет нашего разговора.

Если не касаться грязных стоков и ядовитых сливов, то воды издревле разделяются на соленые и пресные. В соленых водах, по сравнению с пресными, содержится повышенная концентрация солей, прежде всего натриевых. Для питья и промышленного использования они не пригодны, но отлично подходят для купания и водного транспорта. Солевой состав соленых вод в различных водоемах довольно сильно колеблется: например, в мелком Финском заливе воды менее соленые, чем в Черном море, а в океанах соленость значительно больше. Хочу напомнить, что соленая вода – необязательно морская. Известны бассейны с исключительно солеными водами, не имеющие сообщения с морем, такие, как Мертвое море в Палестине и соленое озеро Баскунчак.

Пресная вода содержится не только в реках и озерах, но еще в атмосфере (в виде водяного пара), в морских, речных и озерных льдах, в снегах и ледниках Антарктиды, Гренландии и других северных или гористых регионов, в почве (особенно в зоне вечной мерзлоты) и в подземных водных бассейнах. В пресных водах, по сравнению с морскими, меньше концентрация солей. Они отличаются по двум основным органолептическим показателям – запаху и вкусу. Однако и запах, и вкус могут варьироваться в широком диапазоне. Пресные воды в зависимости от состава делятся на две большие группы: обычная вода и минеральная, то есть вода с повышенным содержанием полезных неорганических компонентов. Подробнее мы их рассмотрим во второй главе, а сейчас я замечу, что под обычной пресной водой понимается такая, которая по своему составу в общем и целом удовлетворяет потребности человеческого организма в минеральных веществах. Следует, однако, помнить, что пресные воды в разных бассейнах и даже в одной и той же реке, но на разных ее участках отличны друг от друга, и эти отличия обусловлены геологическими и географическими причинами: характером почв (песчаных, глинистых, торфяных и т. д.), горными породами, выстилающими русло реки, составом вод притоков и, конечно, климатом, от которого зависят режимы половодья, пополнение рек и озер дождями, тающим снегом и водами ледников, если таковые имеются поблизости. Поэтому, кроме обычных пресных вод (обычных в указанном выше смысле), надо выделить воды ущербные, в которых не хватает какого-либо нужного для жизнедеятельности компонента или, наоборот, чего-то слишком много, и этот избыток влияет на организм не самым лучшим образом. Подобные факты хорошо известны. Так, недостаток фтора отражается на состоянии зубов, недостаток йода ведет к болезни щитовидной железы, слишком мягкая вода – к сосудистым заболеваниям, а при недостатке цинка, необходимого для формирования скелета и кожных покровов, дети вырастают недоразвитыми карликами. Тот или иной химический элемент – скажем, молибден, ванадий или никель – нужен нам в ничтожно малых количествах. Но при их отсутствии в организме могут произойти сбои. Необходимые минеральные вещества мы получаем из трех источников – с пищей, искусственными препаратами и на 10–20 % с водой.

Выше я говорил о составе естественных пресных вод, но наша хозяйственная и бытовая деятельность добавляет к ним тысячи веществ, характеристика которых варьируется от термина «нежелательная примесь» до определения «яд». В дальнейшем мы рассмотрим подробнее основные группы этих соединений, а сейчас я укажу на три главных их источника. Во-первых, это та часть бытовых отходов, поступающих в канализацию, которая называется ПАВ – поверхностно-активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств и стиральных порошков (обычное мыло большого вреда не приносит). Во-вторых, промышленные сливы предприятий, прежде всего химических и металлургических, которые могут содержать ртуть, мышьяк, радиоактивные компоненты, кислоты, фенол и множество иных вредных примесей. В-третьих, остатки пестицидов, которые переносятся с полей в водоемы талыми и подпочвенными водами. Напомню, что пестициды – химические средства, часто токсичные, применяемые в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и сорняками.

Кроме органических и неорганических веществ, перечисленных в начале данного раздела, в воде присутствуют также болезнетворные микробы (бактерии) и вирусы.

Бактерии и вирусы – два разных болезнетворных начала, и для нас, если не вдаваться в тонкости, они различаются по одному параметру: размер бактерий – 1—100 мкм,[4] а вирусов – 0,2–1,2 мкм. Эти микроорганизмы активно размножаются в городских канализационных водах.

Краткий экскурс в физику

Чтобы разобраться со свойствами воды, нам необходимо вспомнить кое-что из школьной программы по физике и химии, а если говорить точнее, химии неорганической и физики атомной и молекулярной.[5] Напомню основные факты из этих отраслей знания.

Как мы знаем, все тела состоят из атомов и молекул. Атомы, мельчайшие компоненты вещества, обладают ядром, окруженным электронными оболочками. Ядро мы будем представлять в виде сферы, состоящей из тяжелых элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Суммарный заряд протонов (т. е. заряд ядра) определяет конкретный элемент: ядро с одним протоном – водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с двадцатью шестью – железо, с девяносто двумя – уран. Нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов: у урана – 146 нейтронов, у железа – 30, у лития – 4 и т. д. Исключения – самые легкие элементы – водород и гелий: у гелия два протона и два нейтрона, а ядро водорода в большинстве случаев – это один-единственный протон. Однако количество нейтронов в ядре может колебаться, и по этой причине каждый элемент известен нам в виде нескольких изотопов, стабильных или нестабильных, то есть склонных к радиоактивному распаду. Выше были перечислены стабильные изотопы водорода, гелия и других элементов – их в земной коре и водах подавляющее большинство. Но есть и другие изотопы, например у водорода: дейтерий D – в ядре протон и нейтрон, тритий T – в ядре протон и два нейтрона.

Атомное ядро окружают легкие элементарные частицы, отрицательно заряженные электроны; в первом приближении можно считать, что они вращаются вокруг ядра по близким и более удаленным орбитам, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Заряд электрона отрицательный и равный по абсолютной величине заряду протона; электронов в атоме столько же, сколько протонов, и поэтому атом в целом электронейтрален. На сегодняшний день нам известно чуть более сотни различных элементов, от водорода до радиоактивных менделевия, нобелия и лоуренсия, и все они представлены в Периодической таблице.

Эту таблицу можно уподобить алфавиту, а атомы – буквам, из которых составляются слова-молекулы. Можно сказать, что совокупность слов – это человеческий язык, а совокупность различных молекул (то есть различных веществ) – это язык природы. В природе вещества редко присутствуют в своем атомарном состоянии, в виде атомарного водорода, кислорода или железа; в большинстве случаев они объединяются в молекулы или кристаллы, образуя газы, жидкости и твердые тела. Так, два атома водорода объединяются в молекулу H₂ (газ водород), два атома кислорода – в молекулу О2 (газ кислород). Наконец, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода и образуют жидкость H₂O – воду.

В чем причина этой необоримой тяги атомов к слиянию в молекулы? Всем нам известен закон сохранения энергии, из которого следует, что энергия не создается и не уничтожается, а только переходит из одного состояния в другое. Это – главный физический закон. Второй по значимости, пожалуй, принцип минимума энергии, согласно которому всякое вещество строится так, и всякий процесс осуществляется таким образом, чтобы при этом была затрачена минимальная энергия. Молекула H₂ имеет меньшую энергию, чем два свободных атома водорода, молекула H₂O – меньшую, чем два атома водорода и один атом кислорода. Отсюда многообразие веществ в окружающем нас мире. Иными словами, есть фундаментальный закон, повинуясь которому атомы-буквы складываются в молекулы-слова.

Связь атомов в молекуле осуществляют электроны внешней (валентной) оболочки. Виды этих связей весьма разнообразны, но основные таковы: ионная и ковалентная. В случае ионной связи один атом отдает электроны, а другой их присоединяет, и в результате образуются два иона, положительный и отрицательный. Например, поваренная соль NaCl: натрий отдает один электрон, хлор его присоединяет, и это обозначается как Na⁺и Cl^–. Значит, ион – это атом, у которого один или несколько (обычно до четырех) электронов отняты или присоединены, в результате чего он превратился в частицу с положительным (катион) или отрицательным (анион) зарядом. В первом приближении можно считать, что молекула или кристалл с ионной связью цементируются электрическими силами – притяжением разноименно заряженных ионов (анионов и катионов) друг к другу и отталкиванием их электронных оболочек.

В случае ковалентной связи, которая реализуется, например, в молекулах H₀ и O₂, внешние электроны как бы обобществляются, кружась по орбитам, которые «обтекают» оба (или большее число) составляющих молекулу атома. Существуют промежуточные типы связей между ковалентной и ионной, а кроме того, оба типа связи могут иметь место в одной молекуле. Вспомним о серной кислоте H₂SO₄: сера связана с четырьмя атомами кислорода ковалентно, и этот блок (кислотный остаток, ион SO^4–₂) соединен с двумя атомами водорода ионными связями.

В завершение этого раздела напомню о предметах неорганической и органической химии. К неорганике, в интересующем нас аспекте, относятся металлы и сплавы, стекла, керамика, газы и все минералы, которых на сегодняшний день известно около пяти тысяч (включая доставленные с Луны); всего же неорганических соединений тысяч сорок-пятьдесят или более того, по разным оценкам.

Органическая химия – это, по сути дела, химия соединений углерода, способного образовывать кольца и цепочки их атомов. Благодаря этой способности соединений на основе углерода великое множество, в десять или двадцать раз больше, чем неорганических. Молекулы соединений углерода, в свою очередь, могут состоять из сотен, тысяч и десятков тысяч атомов, что вовсе не удивительно: ведь углеродные соединения – основа жизни! К ним относятся дерево, бумага, ткани, пластики, нефть, компоненты питания (белки, жиры, сахара-углеводы и витамины), молекулы ДНК. Весь растительный и животный мир в своей основе имеет углеродные соединения. Потенциально опасными для нас являются любые пластики, в том числе искусственные полимерные материалы (полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, полиуретан и т. д.) – высокомолекулярные соединения, которые в процессе старения распадаются на токсичные блоки-мономеры, среди которых могут оказаться фенол и его производные, формальдегид и даже цианиды.

Насколько опасными являются для нас полимеры, покажет следующий пример. Возьмем механический фильтр, который представляет собой в первом приближении мелкоячеистую сетку, или множество таких сеток, или некий материал с очень маленькими порами в 1 мкм (такие материалы уже существуют). Есть надежда, что данный фильтр задержит не только взвешенные частицы (то есть попросту грязь), но через него не пройдут бактерии и крупные вирусы, размеры которых 1 мкм и более; если же в будущем удастся уменьшить поры до 0,1 мкм, то мелкие вирусы (0,2–1 мкм) тоже не проскользнут. А полимеры? Ведь длина полимерной цепочки (то есть линейный размер молекулы) достигает 0,1–0,8 мкм, что сравнимо с величиной вируса! Неужели наш чудо-фильтр задержит и эти гигантские молекулы? Не тут-то было! Полимер, как отмечено выше, стареет и распадается на мономеры, величина которых гораздо меньше, а токсичность и реакционная способность гораздо больше. С помощью механического фильтра от них не избавишься, нужны другие методы.

Свойства воды

Обратимся теперь к свойствам воды и рассмотрим ее с точки зрения основных наук – физики, химии и др.

Молекула воды H₂O имеет форму тупоугольного треугольника (рис. 1), с углом между двумя связями кислород-водород примерно 104°. Электроны водородных атомов оттянуты к кислороду, так что «водородные углы» треугольника несут избыток положительного заряда, а «кислородный угол» – отрицательного. В результате «водородные углы» одной молекулы взаимодействуют с «кислородными углами» других молекул, и такая химическая связь (она называется водородной) объединяет молекулы воды в своеобразный пространственный полимер. Иными словами, хотя вода – жидкость, ее молекулы находятся не в хаотическом состоянии, а образуют некое подобие правильной структуры (что, вообще говоря, свойственно лишь кристаллам).

Рис. 1. Молекула воды

Благодаря этой особенности вода имеет высокую теплоемкость, то есть способна поглощать большие количества тепла (в первую очередь солнечной энергии) и оставаться при этом жидкостью. А это с точки зрения географии, геологии и метеорологии означает, что вода является главным климатообразующим фактором на нашей планете. Ранее уже говорилось о круговороте воды в природе. К этому нужно добавить следующее: воды океанов, морей, рек и озер являются гигантскими аккумуляторами тепла, причем в некоторых случаях это тепло доставляется из тропических областей в умеренные зоны очень быстро и эффективно. Вспомним Гольфстрим, «отопительную печь» Западной Европы, климат которой, на тех же широтах, гораздо мягче российского.

Коснусь еще нескольких общеизвестных, но очень важных свойств воды. Как упоминалось выше, существует три изотопа водорода: водород H (или протий), устойчивый дейтерий D и радиоактивный тритий T. Кроме того, в природе существует три изотопа кислорода. В результате различных комбинаций изотопов водорода с изотопами кислорода можно получить 42 различных вида воды. Наиболее знакомые нам – обычная вода H₂O и так называемые тяжелая (дейтериевая) D₂O и сверхтяжелая (тритиевая) T₂O вода. На Земле тритий присутствует в ничтожно малых количествах, а вот дейтерия довольно много – один атом D на 6700 атомов H, и это означает, что тяжелой воды в обычной весьма заметное количество – 150–160 г/т. С этим наш организм еще справляется, но вообще тяжелая вода для нас не слишком полезна.

Свойства воды как универсального растворителя определяются ее большой диэлектрической проницаемостью (для воздуха – 1, для воды – 80). Это означает, что разноименные электрические заряды притягиваются друг к другу в воде в восемьдесят раз слабее, чем в воздухе, и, соответственно, во столько же раз ослабевают силы межатомного сцепления в молекулах и твердых телах (вспомните про ионную связь!). Молекулы и кристаллы распадаются на ионы. Данное явление, называемое диссоциацией, можно описать иначе. Представьте картинку из школьного учебника химии (рис. 2), где молекулы воды изображены в виде маленьких огурцов-диполей,[6] молекула инородного вещества – в виде огурца-диполя побольше, причем диполи воды развернуты положительными концами к отрицательному концу инородной молекулы и отрицательными концами к ее положительному концу. Таким образом, диполи воды как бы разрывают электрическими силами ионную связь в молекуле вещества, превращая его в ионы. В результате кристалл поваренной соли NaCl растворяется, диссоциирует и присутствует в воде в виде ионов Na⁺и Cl^–, а серная кислота H₂SO₄ распадается на катион водорода H⁺и анион кислотного остатка SO^4-₂. Молекулы воды тоже диссоциируют на ионы H⁺и OH^—, но в очень слабой степени.

Почему нам так важно разобраться с описанным выше явлением и запомнить, что множество веществ, растворяясь в воде, преобразуются в ионы? Потому, что способность ионов вступать в химические и биохимические реакции гораздо выше, чем у молекул. Молекулы электронейтральны, а ионы несут положительный или отрицательный заряд. Отличаясь большой активностью, они не упустят возможности отдать лишний или присоединить недостающий электрон. Вода является изолятором, но раствор соли или кислоты в воде – это электролит, который отлично проводит электрический ток. В этом легко убедиться, опустив в раствор электроды и подав на них напряжение. Наша питьевая вода с точки зрения физики и химии не что иное, как слабый электролит, в котором концентрация солей не должна превышать 1 г/л.

Рис. 2. Процесс диссоциации

В силу своей способности ослаблять межатомные и межмолекулярные связи вода является великим разрушителем, способным растворить что угодно: одни вещества – соль, сахар, всевозможные газы – со зримой быстротой, другие – металлы, твердые горные породы – более медленно, незаметно для глаза, но неотвратимо. Поэтому, например, не может быть идеальной дистиллированной воды – попав в сосуд, она тут же начинает растворять его стенки, и среди молекул H₂O появляется ничтожная примесь инородных молекул материала сосуда.

В заключение напомню еще об одном замечательном свойстве воды. Если расплавить любое твердое тело, то его объем увеличится, а это означает, что плотность всех твердых тел больше плотности соответствующих жидкостей, то есть они тонут в своих расплавах. У воды же все наоборот! При охлаждении и превращении в твердую фазу объем воды увеличивается, а плотность уменьшается – то есть лед не тонет, а плавает в воде. В противном случае, если бы лед тонул, все наши водоемы промерзали бы зимой до самого дна и были бы безжизненными. В том числе и Ледовитый океан, который являлся бы такой же многокилометровой толщей льдов, как Антарктида.