Глава 2. Что такое вода? Общие сведения о воде, ее химический состав. Историческое значение воды. Место воды в жизни человека: от первобытного времени до наших дней
Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобой наслаждаются, не ведая, что ты такое. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты – сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснить нашими чувствами.
Вода окружает нас. Мы и не задумываемся, насколько разнообразным может быть вещество, которое мы обозначаем одним словом. Океаны, моря, реки, озера, ледники, айсберги, болота, дождь, туман, снег, роса – все это вода, и она всегда разная.
Кстати, из всех известных нам веществ, только вода может пребывать одновременно в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом.
Большая часть запасов воды на нашей планете – это соленые воды, непригодные для использования человеком без предварительной очень сложной очистки. Таким образом, пресная вода, которая так необходима нам, составляет всего 2,5 % от общей массы. Но и этим небольшим количеством мы не можем воспользоваться в полной мере. 75 % пресной воды пребывает в твердом состоянии, например в ледниках, 24 % располагается под землей в виде грунтовых вод, а еще 0,5 % находится в почве в виде влаги. А на наиболее доступные и дешевые источники воды – реки, озера и прочие наземные водоемы приходится чуть больше 0,01 % мировых запасов воды.
Помня о значении, которое вода имеет для жизнедеятельности человека и всего живого на Земле, можно безапелляционно утверждать, что водные ресурсы – самые ценные.
На школьных уроках химии мы изучали формулу воды: Н2О. Но, оказывается, и здесь все не так просто. Действительно, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но полностью соответствует такой формуле лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. И объяснение здесь достаточно простое.
В молекуле воды ядра атомов водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах – по одному ядру водорода. В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает пятью электронными парами, которые образуют электронное облако. Оно неоднородно. У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью с центром – ядром O2-. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные.
Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра – ядра O2-. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти па́ры также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра – протоны – оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.
Таким образом, в молекуле воды есть два отрицательных заряда (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Так как электрические заряды расположены асимметрично, то молекула воды имеет заметно выраженную полярность, и, соответственно, высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.
Благодаря этому вода является прекрасным растворителем. И всегда представляет собой раствор сложного состава. Даже из дождевой воды, считающейся наиболее чистой, можно выделить различные минеральные и органические вещества, захваченные водой из атмосферы.
Из пресных и морских вод можно выделить органические компоненты – растворимые соединения белков, сахаров, спиртов, углеводородов и подобных веществ, являющихся продуктами жизнедеятельности животных и растений, обитающих на берегах водоемов и в них самих, а также отходы промышленности и сельского хозяйства. А в одном литре океанской воды растворено около 35 г солей. При этом солевой состав отличается не только количественно, но и качественно. На 89 % морские соли состоят из хлоридов (преимущественно – натрия и кальция), на 10 % – из сульфатов (натрия, калия и магния), на 1 % – из карбонатов (натрия и кальция). В пресных водах больше всего карбонатов (натрия и кальция) – до 80 %. Сульфатов (натрия, кальция и магния) – около 13 %. Остальные 7 % приходятся на хлориды (натрия и кальция) и другие соли.
Газ в воде также присутствует, и наиболее часто встречается кислород, азот, углекислый газ, сероводород. В истоках горных рек содержание кислорода может достигать 6 мг/л. В глубинных слоях Черного моря высока концентрация сероводорода – до 100 мг/л. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер.
Таким образом, несмотря на свой простой химический состав, вода является одним из самых загадочных и странных веществ на нашей планете.
Согласно наиболее распространенной теории, все живое на Земле зародилось в ее бескрайних доисторических морях примерно 3,8 миллиардов лет назад, когда при особых, существовавших именно тогда условиях, образовались вещества с кристаллическими формами. И при помощи солнечного света и электрических зарядов в качестве источники энергии из них зародились первые обитатели Земли – прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на бактерий. Они существовали в тонкой пленке на дне водоемов и во влажных местах. И уже впоследствии из них (а возможно, и совершенно независимым путем) возникли и крошечные одноклеточные организмы – древнейшие простейшие животные.
Но как на Земле появилась вода?
Для того чтобы узнать ответ на этот вопрос, обратимся еще к одной распространенной теории и вернемся на 4,5–5 миллиардов лет назад, когда частицы гигантского облака космической пыли спрессовались в раскаленный шар. Эта пыль состояла из всех известных в природе химических элементов, и горячий водяной пар вырывался с поверхности этого раскаленного докрасна шара и обволакивал его плотным облаком. В ледяной атмосфере пар охлаждался и превращался в воду, которая выпадала обратно на Землю в виде сплошных дождей. Но Земля еще не остыла, и на ее поверхности вода снова превращалась в пар, который опять поднимался в атмосферу.
Так продолжалось долгие миллионы лет, в течение которых Земля постепенно остывала и ее жидкая поверхность начинала неравномерно твердеть. Так образовалась земная кора, состоящая из впадин и возвышенностей. Когда температура поверхности достаточно понизилась, дождевая вода перестала полностью испаряться и стала собираться в огромные «лужи». Примерно в это время и произошел настоящий потоп: вода, уже ставшая частью атмосферы, безостановочно лилась на Землю. Постепенно в глубоких впадинах земной коры она начала скапливаться, потому что изменение температурного режима уже не позволяло воде испаряться. В атмосфере уменьшалось содержание воды, а на поверхности планеты ее скапливалось все больше и больше. Из верхних слоев земной коры вода вымывала и растворяла в себе огромное количество минералов и солей. На Земле образовался Океан, покрывший большую ее часть, а облачный покров становился все тоньше, пока солнечные лучи не коснулись нашей планеты. Многовековой дождь закончился. Прошло еще много миллионов лет. На суше появлялись первые растения – лишайники и папоротники, кистеперые рыбы вышли из воды, их дыхательная система трансформировалась, и они научились извлекать кислород не только из воды, но и из воздуха. Появлялись иные формы жизни, и Землю сотрясали природные катаклизмы, придавшие ей тот облик, в котором увидел ее первобытный Человек.
Как и любое другое животное, человек всегда был привязан к воде. Древние племена предпочитали селиться недалеко от пресных водоемов, так как, во-первых, вода была необходима для утоления жажды, а во-вторых, на водопой зачастую приходили животные, которые могли служить объектами охоты и, соответственно, обеспечить племя едой на определенный срок. В то время воду носили в плетеных корзинах, обмазанных глиной, и, согласно предположениям ученых, однажды такая корзина попала в огонь. Под действием тепла глина затвердела и появилась первая посуда. Ее, благодаря опыту, уже использовали не только для переноса жидкости, но и для кипячения воды на костре и приготовления, например, «супа» из кореньев и трав.
Согласно пониманию человека древнейшей эпохи, наводнения или засуха были результатом доброжелательного или враждебного отношения к человеку духа, живущего в воде. И люди старались уважить его различными способами. Способы эти варьировались от абсолютно безобидных, таких, как обычай выпить глоток воды, зачерпнутый руками на берегу реки, до таких, как жертвоприношение.
Как и все важное и необъяснимое, вода приобретала в глазах людей мистические свойства. Так, например, поражаясь способности ее растворять физическую грязь, воде стали приписывать свойства очищать душу, что впоследствии также отразилось во всех религиях мира.
И если в первобытные времена люди поклонялись общему Духу Воды, то уже в греческой античности каждая река, каждый ручеек имели свое божество – нимфу, не говоря уже о более крупных водоемах, и главного повелителя этой стихии – бога Посейдона, брата Зевса.
С развитием цивилизации человечество все больше использовало воду не только в бытовых целях, но и в медицине и производсте. А для обеспечения ее непрерывного присутствия в нужном количестве изобретатели решали проблемы создания, а потом и усовершенствования специальных приспособлений и сооружений, позволяющих доставлять воду от водоемов к месту обитания человека.
Так появились колодцы и оросительные системы. Согласно результатам археологических раскопок, уже в Древнем Риме была создана система водопроводов, прообразом которой послужила транспортировка воды по глиняным трубам в Древнем Египте. Специальная система с использованием силы домашних животных или рабов поднимала воду на поверхность из глубоких вырытых скважин или доставляла воду путем «естественного потока», если родник или источник находился на возвышенности.
Но уже тогда человек, опираясь на результаты наблюдений за реакцией своего организма, понимал необходимость очистки употребляемой воды. Первый фильтр был примитивен – это был короб с влажным песком, через который фильтровалась вода.
С тех пор много воды утекло, появилось много иных факторов, загрязняющих экологию, в том числе и воду… Но принципы, работавшие в древности, мы используем и сейчас. На смену силе животных пришло электричество, а с развитием наук, в том числе химии, стало понятно, что механической очистки воды недостаточно, чтобы живительная влага, поглощаемая нами, приносила пользу, а не вред.