Вода и ее применение в современных технологиях

ВВЕДЕНИЕ

Хотя все в природе взаимосвязано и каждая де­таль важна, все же отдель­ные явления и предметы бо­лее существенны, а другие менее при естественном равновесии как живой, так и не­живой материи. Ведь нельзя же поставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за­кономерен вопрос: какое ве­щество является самым главным, самым важным для нас в окружающем материальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно и однозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всяком случае для нашей планеты Земля.

Если человек спустится в подземные пещеры, то они поразят его сложнейшей системой многоэтажных помещений, ко­ридоров, обширных залов со сводчатыми потолками, причудливой колоннадой, то свешивающейся сверху, то растущей снизу. В этих подземных пустотах подчас встретятся вам журчащий ручей или целое подзем­ное озеро, по которому свободно можно кататься на лодке. Какой архитектор построил этот сказочный подземный дворец? Природная вода!

Обратив свой взор к небу, человек видит облака или тучи, тянущиеся на десятки, сотни, а иногда и на тысячи километров. Глядя, как легко они плывут в воздушном океане, окружающем нашу планету, некоторые люди думают, что они невесомые. Масса 1 км3 обла­ков около 2000 т, и состоят они опять-таки из природ­ной воды.

Все люди хорошо знают текущие по суше водото­ки — ручейки, речушки, реки. Иногда они низвер­гаются с высоты десятков и сотен метров водопада­ми, на многие сотни метров наполняя воздух мельчай­шей алмазной пылью, переливающейся в лучах солнца всеми цветами радуги. Иногда образуют мощные пенящиеся стремнины, вытачивающие в ска­лах причудливые формы. Крупные водотоки на сотни километров пропиливают даже в плотных породах широкие, до десятка километров, и глубокие, до многих сотен метров, долины. Все это делает сила природной воды.

Но если обратиться к самым страшным из из­вестных нам катастроф, которые переживали наша планета за геологическое время, а человечество за время своего, правда, короткого существования, та­ким, как тайфуны, смерчи, цунами, земле- и моретря­сения, извержения вулканов, когда нередко за немно­гие часы, а то и минуты уничтожались целые города и гибли сотни тысяч людей, и если мы попытаемся -вскрыть механизм природного аппарата, который вы­звал эти ужасные катастрофы, то увидим, что и в этом случае принимала участие природная вода!

Большая часть поверхности нашей планеты, около 71%, покрыта Мировым океаном, составляющим 97% всех поверхностных вод Земли и около половины всех вод литосферы. Глубина Мирового океана до­стигает 11 км. Если срезать сушу и заполнить ею дно океанической чаши, то вся планета покроется слоем воды глубиной около 3 км.

Почва и все породы, слагающие литосферу (зем­ную кору), также всегда содержат воду. Это утверждение справедливо не только для увлаж­ненных районов. Оно достоверно даже для таких мест, где годами не выпадает ни одной капли дож­дя. Это справедливо и для всех участков величай­шей «безводной» пустыни—Сахары. Да что Саха­ра! На нашей планете нет ни одного естественного предмета, тела, пылинки, которые были бы лишены воды. Все живое и неживое содержит ее. В огненной магме, изливающейся из жерл вулканов, также есть вода, причем в немалом количестве.

Да и человек, на 70% состоит из воды. Чего больше всего в нашей твер­дой и жидкой пище — в овощах, мясе, рыбе, хлебе, крупе, молоке? Природной воды! С каким веществом впервые знакомится новорожденный? С водой, в кото­рой его купают. Даже в первом вздохе новорожденный получает воду, которая всегда содержится в воз­духе. Где лучше всего во время отдыха чувствует себя здоровый человек? Конечно, во время купанья в теп­лой морской, озерной или речной воде. Недаром не­которые биологи предполагают, что колыбелью жизни на Земле были мелководные лагуны, даже и в том случае, если жизнь зародилась не на планете Земля, а была занесена на нее из межпланетного простран­ства в форме спор одноклеточных организмов.

Итак, кругом, всюду и везде, всегда и во всем,— природная вода! Воду с полным правом можно наз­вать вездесущей. Это не поэтическая гипербола.

Действительно, человечество во все времена стре­милось к познанию этого удивительного вещества — воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так, еще шесть тысячелетий назад у шумеров существо­вали космогонические представления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба, а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».



Лучше всех из современных мыслителей значение воды определил крупнейший ученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минера' лог, академик В. И. Вернадский: «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» [1960,с. 16].

Глава 1 Физические свойства воды.

Среди всех веществ, изучаемых физиками и

физико-химиками, вода во многих

отноше­ниях является самым трудным.

В. В. Шуленкин, 1968

1.1 Чистая вода.



Разумеется, под чистой водой мы подразумеваем не санитарно безупречную жидкость, а воду, отвечаю­щую по составу привычной нам со школьной скамьи химической формуле Н2О. При этом относительная атомная масса водорода, входящего в состав соедине­ния, равна 1, а кислорода 16, никаких других веществ в форме растворенных или взвешенных примесей вода не содержит. Такой окиси водорода, состоящей из двух весовых частей водорода и шестнадцати весо­вых частей кислорода, в природе в чистом виде не существует, да и искусственно получить такое веще­ство даже в современных лабораториях крайне труд­но, а если и возможно, то только на очень короткий отрезок времени, измеряемый секундами. [3]

Природная вода, где бы она ни находилась и в ка­ком бы агрегатном состоя­нии (газообразном, жидком или твердом) ни была, всегда представляет собой раствор других веществ, газообразных, жидких или твердых, а также содер­жит подчас в незначительных количествах другие воды (с другими относительными атомными массами водорода и кислорода и другими свойствами). Стало быть, вода — понятие собирательное.

Что же представляет со­бой та идеальная «чистая» вода Н2О с физической точки зрения? Как и боль­шинство веществ, вода состоит из молекул, а послед­ние из атомов.


Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на опре­деленных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго опреде­ленное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода — две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью. Образование молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 1). Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости.

Можно было бы предполагать, что атом кислоро­да и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше — всего 104° 27' (рис. 2), что приводит к не­полной компенсации внутримолекулярных сил, избы­ток которых обусловливает асимметрию распределе­ния зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворе­ния водой различных веществ. При 0°С диэлектриче­ская проницаемость воды (в твердой фазе) состав­ляет 74,6; с повышением температуры она падает. Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81.

Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвен­ных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное об­лако, зависящее от энергетического состояния элект­рона (рис.2).

1.2

Плотность.

Несмотря на то что вода — вещество, принятое в качестве эталона меры плотности, объема и т.


д. для других веществ, сама вода, как это не странно, является самым аномаль­ным среди них. Этих удивительных аномалий у воды много, рассмотрим лишь основные из них.

Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и умень­шают плотность. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4°С, когда с воз­растанием температуры объем воды не увеличивает­ся, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечается при 4°С (рис. 3). Таким образом, для воды зависимость между объемом и температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), а двузначна. Например, при 3 и 5°С мас­са воды занимает один и тот же объем, так же как и при 0, 2 и 8 °С и т. д. Несмотря на указанную ано­малию, вода служит эталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.

Что же будет происходить с объемом воды при дальнейшем понижении температуры? Оказывается, что ниже 0°С он продолжает увеличиваться, но толь­ко при условии переохлаждения. Однако переохлаж­дение требует исключительных условий: полной непо­движности воды и отсутствия центров кристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.) (рис. 4).

Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлаждена до минус 70 °С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введении льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращается в лед и температура ее под­скакивает (на 70 °С) до 0°С. Вода также может быть доведена до 150 °С без закипания. При вве­дении в такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100°С.

При замерзании объем воды возрастает внезапно примерно на 11% и так же внезапно, скачком, умень­шается в обратном направлении при таянии льда при

превращении ее в лед происходит расширение объема, что приводит к возникновению избыточного давле­ния, достигающего, как показывают наблюдения, 2500 кгс/см2. Именно этим объясняются как разру­шительная сила замерзающей воды в замкнутых пус­тотах, трещинах горных пород, откалывающая подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкие осколки, так и страшные взрывы наледей, описание которых будет приведено ниже, а также разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.



Здесь следует сделать одну существенную оговор­ку. Все рассмотренные выше процессы происходят при указанных температурах лишь при условии абсолют­ного давления, равного 1 атм. С увеличе­нием давления температура замерзания воды пони­жается примерно на 1 °С через каждые 130 атм. Так, при давлении 500 атм замерзание наступает при температуре минус 4 °С, а при давлении 2200 атм — при минус 22 °С. Эта зависимость для воды аномаль­на, так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. По­добная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учета растворенных в воде солей на больших глубинах в океане вода не замерзает, например при температуре минус 3°С она не замерзнет даже на глубине около 4000 м, а на больших глубинах тем более.

С повышением температуры жидкой воды ее плот­ность понижается: на интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точки кипения воды 100 "С—на 4% (от 1 до 0,95838).

С повышением минерализации воды (т. е. коли­чества содержащихся в ней минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеет максимальную плотность. Так, на поверхности Миро­вого океана плотность воды 1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Таким обра­зом, установившееся мнение о практической несжи­маемости воды справедливо только для сравнительно малых давлений. Если бы вода была совершенно не­сжимаема, уровень океана поднялся бы на 30 м.

В этом случае большая часть Ленинграда, например, была бы затоплена.

Важным обстоятельством в природе является то, что максимальная плотность воды, как отмечалось выше, наблюдается при 4 °С, а лед оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверх­ности. Если бы этого не было, то водоемы и водо­токи промерзали бы зимой до самого дна, что было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенность воды при некоторых усло­виях имеет исключения. Речь идет о возможности образования донного или внутриводного льда, о чем подробнее будет сказано в разделе о поверхностных водах.



1.3 Точки кипения и замерзания (плавления).

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает (рис. 5). Это свойство воды раньше использовалось для определе­ния высоты местности в горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.

Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды, с повыше­нием давления она падает (но только до давления 2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380 атм—при 0°С, при 16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В последних двух случаях мы уже имеем горячие льды. Возможно ли существова­ние в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно циркулирующих в породах Земли водах, безусловно, нет, так как даже на гра­нице нижней литосферы и верхней мантии, называе­мой границей Мохоровичича (как мы увидим из даль­нейших глав), где давление приблизительно 10000 атм, температура никак не может быть равна 30 "С,

а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего льда здесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исклю­чаются давления выше 6000 атм, которые необходи­мы для образования горячего льда.

При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения воды (соответственно 0 и 100°С). Если взять ряд соединений водорода с эле­ментами группы Via периодической системы Мен­делеева — Н2Те, H2Se H2S и H2O — с учетомих относительной молекулярной массы, то окажется, что точки замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса, тем выше точки кипения и замерзания. Точ­ка замерзания воды должна была бы находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она приходится на ±0 °С. То же самое можно ска­зать о точке кипения воды, которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).



При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительной температуре. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по нему газ (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода. Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед» содержит много газа (газогидрат).

Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необык­новенным.

1.4 Теплота плавления.

Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, не очень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока — около 80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа — 6, серы—9,5 и свинца—5,5 кал/г). Как же проявля­ется эта аномалия? Лед при давлении 1 атм может иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Каза­лось бы, чем ниже температура льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы растопить его. Этот вывод как будто настолько естествен, что не­посвященный в физику тепла вряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод не бесспорен. Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота плавления составит не 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и довольно неожи­данная аномалия. С каждым градусом понижения температуры льда теплота плавления уменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это тем, что удельная теплоемкость у льда меньше, чем у воды.

Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз выше, чем скрытая теплота плавления. Чтобы превратить жидкую воду с температурой 100 °С в пар с такой же температурой, нужно затра­тить поистине гигантскую энергию, в то время как '/з этой энергии вполне достаточно, чтобы превратить в пар спирт, и '/в, чтобы жидкую ртуть сделать парообразной.


Можете теперь себе представить, какой громадной внутренней энергией в скрытой форме об­ладает водяной пар, и это только при 100 °С! А если его нагреть до 500 °С, то 1 г его потенциально будет содержать порядка 1000 кал тепла. К сожалению, реализовать эту скрытую энергию практически очень трудно.

Как известно, пар используется в паровых машинах, которых становится все меньше и меньше из-за исключительно низкого (ниже) к. п. д. и не только в силу невозместимых естественных потерь на тре­ние, излучение, теплопроводность и других, но и по причинам малой разности температур между граница­ми существования воды, а также малого контраста между температурой окружающего воздуха и точкой парообразования. Эти обстоятельства в настоящее вре­мя заставляют заменить паровые двигатели двигате­лями внутреннего сгорания, электрическими и другими.

Что же касается скрытой теплоты парообразова­ния, то тут аномальности не наблюдается. Чем хо­лоднее жидкая вода, тем больший приток тепла нужен ей, чтобы обратить ее в пар. Так, при 0°С теплота парообразования 587 кал, при 50 °С — 568, а при 100 °С — 536, при 150 °С — 446 кал.

1.5 Поверхностное натяжение и прилипание.

Поверхностное натяжение — это способность пограничных молекул воды, а также твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). На поверхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения, для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать, не погружаясь в воду, предметы, кото­рые в 8 раз и более тяжелее воды, например лез­вие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение воды при 18°С составляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните: для спирта оно составляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см). Только ртуть имеет еще более высокое по­верхностное натяжение — 500 дин/см.

Теоретически установлено, что для разрыва стол­бика чистой воды диаметром 2,5 см потребуется при­ложить усилие 95 те. Поскольку, как уже упоминалось выше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных условиях получить ее почти невоз­можно, то в условиях эксперимента с не совсем чистой водой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см2 потребуется усилие в пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.



У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание» (адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах), где вода

Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких трубках сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом слое со способностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В результате в капилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного уровня воды. У рту­ти, обладающей более высоким поверхностным натя­жением, адгезия отсутствует, поэтому ртуть в капил­лярной трубке имеет не вогнутую, а выпуклую поверхность. Необходимо заметить, что к поверхно­стям, покрытым жировым слоем, например парафи­ном, вода не прилипает и мениск ее в капилляре, подобно мениску ртути, будет не вогнутый, а выпук­лый.

Существует понятие капиллярной постоянной, ко­торая равна произведению высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для чистой воды линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижении критической (см. ни­же) становится равной нулю. Предельная высота капиллярного подъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в мелком 1,2 м, а в чистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для крупных капилляров—5—10 суток, а для мелких до 16 месяцев.

1.6 Теплоемкость воды.

Остановимся на следу­ющей аномалии воды, которая связана с ее теплоем­костью. Теплоемкость воды сама по себе не аномаль­на, но она в 5—30 раз выше, чем у других веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная теплоемкость с повышением температуры возрастает. У воды же удельная теплоемкость в ин­тервале температур от 0 до 35 °С. падает, а затем начинает возрастать (рис. 6).

Удельная теплоемкость воды при 16 °С условно принята за 1 и служит, таким образом, эталоном меры для других веществ. Как и плотность, удельная теплоемкость воды в зависимости от температуры не однозначна, а двузначна. Например, при 25 и при 50 °С она одинакова — 0,99800 кал/(г-°С).


Если находящиеся в воде частицы еще крупнее, то они не образуют растворов, а создают механические суспензии, взвеси.

Химический состав природных растворов весьма разнообразен. Существует множество классификаций их, построенных по разным принципам. Форма вы­ражения результатов анализов может быть различ­ной: солевая, окисная, атомная и ионная. Последняя, хотя, как и другие, условна, однако в настоящее время признана наиболее удобной, поскольку позво­ляет выражать все, что содержится в воде, вплоть до живых организмов. Именно так и стремился пос­тупать автор классической монографии о природных водах академик В. И. Вернадский. По его классифи­кации природные воды разделялись на 485 видов минералов группы воды (гидридов), причем общее их количество, по его мнению, в действительности должно превысить 1500. Конечно, для практических целей такая классификация затруднительна.

В настоящее время все природные воды по пре" обладающему аниону делят на три класса: 1) хлоридные, 2) сульфатные и 3) гидрокарбонатные.

Каждый класс подразделяется в свою очередь на три группы: 1) кальциевую, 2) магниевую и 3) натриевую, т. е. классификация проводится по катионам. Группы можно делить еще по трем типам, но мы эту классификацию рассматривать не будем. По преобладающему растворенному газу воды могут быть подразделены на азотные, сероводородные, углекис­лые и т. д.

Самыми главными и наиболее распространенными компонентами в природных растворах являются хлор, а затем натрий, далее следуют ионы сульфатный ,гидрокарбонатный HCO3- и карбонатный , кальций Са2+, магний Mg2+ и др.

На рис. 11 показана зависимость растворимости некоторых солей хлора от температуры. Кривые недвусмысленно показывают, что из четырех солей хлора наибольшей растворимостью обладает хлори­стый кальций, а наименьшей хлористый натрий.

Насколько возрастает растворимость солей с по­вышением температуры и давления, рассмотрим на примере самого распространенного в водной среде вещества — хлористого натрия NaCl.


При темпера­туре 10°С и давлении 1 бар он растворяется пре­дельно—257 г/кг (насыщенный раствор), а при температуре 500 0С и давлении 1 кбар—в 1571 раз больше (561000 г/кг), т. е. по массе вода как растворитель в 56 раз легче, чем растворяемая соль. В большинстве случаев то же самое происходит и с другими солями. Однако встречаются и исключения. В качестве примера можно привести хромовокислый кальций СаСrO4, растворимость которого при темпе­ратуре 0°С 15,4, а при 100 0С—только 7,1 г/кг. Так же ведут себя гипс CaSO4 · 2H2O в интервале температур 40—100°С, сульфат натрия Na2S04 при 25—100°С и некоторые другие соли.

2.4 Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом.

Выше было сказано, что при некоторых условиях во­да способна расщепляться на два иона: положительно заряженный гидратированный катион Н+ (Н3О+) и отрицательно заряженный анион ОН- (называемый также гидроксилом). Но вода способна не только расщепляться сама, но и расщеплять другие вещества, в ней растворенные, вступая при этом в обменные реакции с присоедине­нием элементов воды (ОН- и Н+. Этот процесс но­сит название гидролиза. В качестве одного из примеров можно привести гидролиз хлористого желе­за, протекающий по следующей схеме:

FeCl3+ЗН2О Fe(OH)3 + ЗНСl.

В результате гидролиза мы получаем гидрат оки­си железа и соляную кислоту.

Останавливаться сейчас подробнее на гидролизе мы не будем, но просим его запомнить для лучшего понимания последующего. Отметим лишь, что гидро­лизом объясняются белящие свойства хлора, моющеедействие мыла. Гидролиз имеет большое применение в промышленности: в паточном производстве, при получении спирта из древесины и во многих других областях производства.

Учитывая тесный контакт подземной воды с вме­щающими ее породами и ее высокую растворяю­щую способность, естественно ожидать влияния на формирование химического состава раствора, каким является природная подземная вода, химического состава вмещающих воду пород. Это иногда и наблюдается в верхних горизонтах литосферы до глубин, различных в разных местах, но не превы­шающих зоны возможного проникновения в породы современных поверхностных вод.


Разумеется, мно­ гое здесь зависит от растворимости пород и от цело­го ряда превходящих факторов, таких, как темпера­тура, давление, биохимические процессы, наличие тех или иных уже растворенных веществ, в част­ности растворенных или свободных (называемых спонтанными) газов.

Во всяком случае, при циркуляции воды в извест­няках или доломитах и при их выщелачивании обра­зуется гидрокарбонатно-кальциевая, жесткая, вода, а в случае смывания залежей поваренной соли, хлоридно-натриевая. Образование гидрокарбонатно-натриевых (содовых, Na2HCO3) вод объясняется иногда разложением полевых шпатов (например, плагиок­лаза NaAlSi3O8) в присутствии углекислого газа СО2. Воды сульфатного класса в присутствии кисло­рода могут образовываться при их циркуляции в трещиновато-пористых породах, богатых сульфид­ными минералами.

Во всех перечисленных случаях повышенные мине­рализации вод (до рассолов включительно) чаще возможны при интенсивном природном выпаривании подобных растворов. Например, в озерах в районах с жарким климатом. Мы не разделяем мнение мно­гих исследователей, привлекающих эти процессы для объяснения высоких концентраций глубинных рассольных вод.

Химический состав природных растворов выра­жается самыми различными формулами. Вот как с помощью формулы Курлова могут быть выражены результаты анализа морской воды:



Как отмечалось выше, наиболее предпочтительной формой выражения результатов анализа воды явля­ется ионная. При этом содержание того или иного иона дается в граммах или миллиграммах на литр воды. Однако для полной характеристики свойств воды ионная форма недостаточна. В связи с этим наряду с ионной пользуются миллиграмм-эквивалент­ной формой. Пересчет данных анализа на милли­грамм-эквивалентную форму осуществляется деле­нием количества миллиграммов каждого иона в 1 л воды на его эквивалентную массу. Например, разде­лив 10722 мг натрия на его эквивалентную массу, равную 23, получим 466 мг-экв.


натрия. Сумма миллиграмм-эквивалентов для катионов и анионов должна быть одинаковой, поскольку каждому экви­валенту катиона соответствует эквивалент аниона.

Перевод результатов анализа вод в процент-экви­валентную форму производится для того, чтобы иметь возможность сопоставить воды различной минерали­зации и получить более ясное представление о соотношениях между ионами в одной и той же воде. При­няв суммы миллиграмм-эквивалентов анионов и катионов, содержащихся в 1 л воды, за 100%, рассчи­тывают процент количества миллиграмм-эквивалентов каждого иона по отношению к этим суммам (табл. 2.)

Таблица 2

Содержание главных компонентов в водах мирового океана

Компоненты	Содержание
мг/кг	мг-экв.	%-экв
Катионы
Na+	10722	466	86
Mg+	1297	53	10
Ca2+	417	10	2
K+	382	10	2
Всего	12818		100
Анионы
Cl-	19337	545	95
SO4-	2705	28	4.8
HCO3-	97	2	0.2
Br2-	66	-	-
Co3-	6	-	-
Всего	22211		100

Подобный способ показа химического состава в практических дисциплинах о воде удобен и прост, но для научных построений совершенно не пригоден. Это сразу станет ясно, если мы попытаемся изобразить геохимический состав Мирового океана, куда, естественно, должен войти и состав всего его биоце­ноза п. В. И. Вернадский пользовался выражением того или иного состава только с помощью атомных процентов.

Хотя данная глава посвящена химическим свойст­вам воды, мы совершенно сознательно опускаем такие, бесспорно, важные аспекты этой темы, как ионное равновесие растворов, произведение раствори­мости, активность ионов и ряд других, отсылая заинтересованного читателя в зависимости от его подготовки к многочисленным учебникам химии для средней или высшей школы. Одновременно мы должны предупредить, что в этих учебниках учтены обычные условия физико-химических характеристик, с которыми человек имеет дело в быту или на про­изводстве, и совершенно не касаются сверхкритических условий, как больших глубин земных недр, так и далеких от Земли космических пространств.



Глава 3 Использование воды в современной технике и технологиях.

3.1 Морская вода в промышленности

Без воды Мирового океана немыслима жизнь на Земле, невозможен круговорот веществ, энергии в природе. В данной главе пойдет речь не о глобальных физических процессах, а об участии воды в морском хозяйстве, в котором вода является сырьем, так как «уже претерпела известное изменение при посредстве труда»(Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т.25, ч.I, с.190).

Долгое время соленую воду океана рассматривали только как «агрессивную» среду, которую в процессе производства следует нейтрализовать, ибо ее невозможно использовать. Однако изменение технологии с учетом физических и химических свойств морской воды позволяет применять ее в качестве полезного компонента. В промышленности морская вода используется при производстве ряда продуктов охлаждения агрегатов, обогащения полезных ископаемых, транспортировке сырья и отходов, в качестве питательной воды в парогенераторах, для поддержки пластового давления на нефтегазопромыслах и т. д. Круг ее применения непрерывно расширяется. Уже в 2000 году в США за счет морского водопотребления удовлетворяется одна треть промышленных потребностей. Растут масштабы использования морской воды в других странах, в том числе в Японии, где ожидаемый дефицит водных ресурсов предполагается покрывать за счет морской воды.

В нашей стране доля морской воды в общем, промышленном потреблении воды составляет пока что всего 5%. Несмотря на в основном внутриконтинентальный характер размещения производства имеется возможность и необходимость развития морского водоснабжения, особенно, например, в южном экономическом районе России, где назревает дефицит водных ресурсов, и в других приморских регионах. Промышленные предприятия Одесской и Крымской областей уже теперь покрывают свои потребности в воде за счет морской на 33-35%, а отдельные предприятия – до 99,4%

Чаще всего вода используется как теплоноситель при охлаждении продукта или конструкций агрегатов. Морской водой охлаждаются ядерные реакторы.


Широко применяется оборотная морская вода также на нефтеперерабатывающих заводах. Большая экономия пресной воды достигается от применения морской для охлаждения барометрических конденсаторов на сахарных заводах.

Все чаще морская вода используется в технологических процессах. Разработаны способы приготовления бетона на морской воде, флотации в морской воде серы из вулканогенных руд Камчатки и Курильских островов. Доказана возможность автоклавной плавки с использованием морской воды.

Широкое распространение получает использование морской воды при добыче полезных ископаемых суши и морского дна. Созданы гидроагрегаты, обеспечивающие выдачу угля на гора, повышающие производительность труда в несколько раз. Перспективна разработка рассыпных месторождений шельфа, в том числе песков, содержащих золото, олово, титан и другие элементы, гидроспособом.

3.2 Морская вода в сельском хозяйстве.

Все более широкое применение морская вода получает в сельском хозяйстве. Существует много видов растений – галофитов, - устойчивых к большим содержаниям солей, хорошо приспособленных к поливам морской водой. Известны мангровые деревья растущие на побережье тропических морей и образующие мощные заросли. Из других галофитов широко распространены ячмень, пырей, ситник, тандриск. Высокая солеустойчивость у сахарной свеклы, репы, кормовой капусты, ржи, сахарного тростника, спаржи, лука-порея, чеснока, редиса и др. Эти растения могут переносить поливы солоноватой и даже водой соленостью 10-15%. Селекционные работы позволяют вывести новые солеустойчивые сорта растений. Так, американские ученые получили сорт ячменя, который орошается только морской водой с высокой концентрацией солей, и солеустойчивый сорт помидоров.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гавриленко Е. С., Дерп-еольц В. Ф. Глубинная гидросфе­ра Земли. Киев, 1971.

Гинзбург В. Л. Как устроена Вселенная и как она развивается во времени. М., 1968.

Девис К; Дэй Дж. Вода-зеркало науки. Л,, 1964.

Дерпгольц В. Ф. Древнее со­оружение Тувы — конденсатор па­ров наземной атмосферы.


— При­рода, 1964, № 8, с. 98—102.

Дерюгин К. К. Человек поко­ряет глубины океана. М., 1965.

Зубов И. Н. Льды Арктики. М,, 1945. Классен В. И. Вода и магнит. М., 1973.

Копал 3. Луна — наш ближайший небесный сосед. М., 1963.

Кроми У. Проект «Мохол». М., 1967.

Ксанфомалити Л. В. Меркурий — брат Луны. — Земля и Все­ленная, 1976, № 1, с. 40—49.

Кульский Л. А. Серебряная вода. Киев, 1968. Лепешков И. Н. Минеральные дары моря. М., 1972. Макаренко Ф. А. Вода под Землей.— В кн.: Круговорот воды. М., 1966, с. 86—95.

Маров М, Я. Новый облик Марса. — Природа, 1975, № 8, с. 12—24.

Маров At. Я. Венера: что о ней известно сегодня.—Земля и Вселенная, 1976, № 3, с. 3—15.

Мархинин Е. К. Роль вулканизма в формировании земной коры. М„ 1967.

Наливкин Д. В. Ураганы, бури и смерчи. Л., 1969. Никитин С. А. Как выглядит поверхность Венеры. — Природа, i976, № 2, с. 6—9.

Оринг Дж. Погода на планетах. Л., 1968. Рай X. В глубинах Тихого океана. М., 196!. Сиборг Г. Т., Вэленс Э. Г. Элементы Вселенной. М., 1966.

Сидоренко А. В. Кольская сверхглубокая.—Правда, 1975, 11 мая.

Струве О., Линдз Б., Пиллапс Э. Элементарная астрономия. М., 1967.

Тазиев Г. Когда Земля дрожит. М., 1968. Федосеев И. А. Развитие знаний о происхождении, количе­стве и круговороте воды на Земле. М., 1967. Фирсов В. Жизнь вне Земли. М., 1966. Фрицман Э. X. Природа воды. Л„ 1935. Фюрон Р. Проблема воды на земном шаре. Л., 1966. Холодов Ю. П. Человек в магнитной паутине. (Магнитное поле и жизнь). М., 1972.

Аникиев К- А. Аномально высокие пластовые давления в неф­тяных и газовых месторождениях. Л., 1964. (Тр. ВНИГРИ, вып. 233).

Белоусов В. В. Земная кора и верхняя мантия материков. М., 1966.

Блох А. М. Структура воды и геологические процессы. М., 1969.

Бютнер Э. К. О диссипации водорода из атмосфер планет.— Докл. АН СССР, 1959, т. 12-1, № 1, с. 53-56.

Вернадский В. И. Очерки геохимии. Изд. 4-е. М., 1934.

Вернадский В. И. Избранные соч. Т. 4, кн. 2. История при­родных вод. .М., 1960.

Виноградов А.


П. Химическая эволюция Земли. М., 1959.

Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. М., 1967.

Гуцало Л. К- Радиьлиз воды как источник свободного кис­лорода в подземной гидросфере.—Геохимия, 1971, № 12, с. 1473—1481.

Дахнов В. И. К познанию недр Земли. М„ 1968.

Дерпгольц, В. Ф. К гипотезе формирования природных рас­творов.—Докл. АН СССР, 1962а, т. 142, № 6, с. 1384- )3S6.

Дерпгольц В. Ф. О водообмене между Землей и мировым пространством. — В кн.: Географический сборник АН СССР. Т. 15. М„ 19626, с. 198—207.

Дерпгольц В. Ф. Гидросфера и хлор. — Литология и полез­ные ископаемые, 1963а, № 1, с. 43—57.

Дерпгольц В. Ф. Принципы укрупненной естесгвенной класси­фикации природных вод Земли.—Сов. геология, 19636, № 5, с. 7—18.

Дерпгольц В. Ф. Минеральные воды Ленинградской, Псков­ской и Новгородской областей.—Тр. ВНИИГ, 1964, вып. 11.

Дерпгольц В. Ф. К геохимической характеристике метеорных вод Енисейского сектора Арктики.—Докл. АН СССР, 1968а, т. 178, № 3, с. 702-705.

Дерпгольц В. Ф. Геотермические особенности одного из участ­ков Енисейского сектора Арктики.—Докл. АН СССР, 19686, т. 179, № 5, с. 1091—1093.

Дерпгольц В. Ф. Планетарная геохимическая стратификация гидрохлоросферы.—В кн.: VI совещание по проблемам плането­логии. Л., 1968в.

Джеффрис Г. Земля, ее происхождение, история и строение. М., 1960.

Дмитриев Л. В. Глубоководное бурение в фундаменте океан­ской коры.—Природа, 1975, № 5, с. 48—53.

Каттерфельд Г. Н. Лик Земли. М., 1962.

Кесарев В. В. Движущие силы развития Земли и планет. Л., 1967. ,

Коржинский Д. С. Теория метасоматической зональности. М., 1969.

Кротова В. А. Фактор времени в формировании химического состава подземных вод. — Тр. ВНИГРИ, 1960, вып. 155, с. 299— 307.

Кротова В. А. Гидрогеологические факторы формирования нефтяных месторождений. (На примере Предуралья). Л., 1962. (Тр. ВНИГРИ, вып. 191). М., 1975.

Липецкий В. Ф. Аномально высокое пластовое давление как критерий времени формирования нефтяных залежей.


М., 1959.

Личков Б. Л. Формирование подземных вод и единство при­родных вод.—Тр. Лаб. гидрогеол. проблем АН СССР, 1958, т. 16, с. 27—33.

Личков Б. Л. К основам современной теории Земли. Л., 1965.

Личков Б. Л. Природные воды Земли и литосфера. М. — Л., 1960. (Зап. Геогр. о-ва СССР, т. 19).

Лутц Б. Г. Химический состав континентальной коры и верх­ней мантии Земли. М., 1975.

Львович М. И., Соколов А. А. Водный баланс и водный ре­жим территории и их целенаправленное преобразование. — Изв. АН СССР. Сер. геогр., 1971, № 5, с. 41—54.

Мавлянов Г. А., Эргашев С. Э., Султанходжаев А. Н. Изме­нение концентрации водородных ионов (рН) в подземных водах в связи с землетрясением. — Узб. геол. журн., 1975, № 1, с. 3—4.

Марков К. К. Палеогеография. М., 1960.

Общее мерзлотоведение/М. И. Сумгин, С. П. Качурин, Н. И. Толстихин, В. Ф. Гумель. М.—Л., 1940.

Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. М„ 1960.

Посохов Е. В. Формирование химического состава подземных вод. Изд. 2-е. Л., 1969.

Сатклифф Р. Глобальный водный баланс — геофизическая проблема.—В кн.: Вопросы мирового водного баланса. Л., 1972.

Сысоев А. Ф., Андриященко А. А. Наблюдение над действием временной гипотермии на жизнедеятельность старых крыс. — Докл. АН СССР, 1957, т. 117, № 3, с. 539—541.

Хитаров Н. И., Лебедев Е. Б., Дорфман А. М. Физические свойства системы кремнезем — вода при высоких параметрах. — Геохимия, 1976, № 2, с. 217—222.

Чердынцев В. В. Ядерная вулканология. М., 1973.

Kulp J. L. Origin of the hydrosphere.—Bull. Geol. Soc, Amer., 1951, vol. 62, № 3, p. 326—330.

Piggot С. S., Urry W. D. Time relations in ocean sediments.— Bull. Geol. Soc. Amer., 1942, vol. 53, № 8, p. 1187—1210.

---

---