168502 (Вода и здоровье населения), страница 2

Взаимодействие водорода с кислородом в газообразном виде при отсутствие катализатора медленно происходит только при 3000ºC по схеме[4]:

2H2 + O2 = 2H2O.

При повышении температуры скорость реакции возрастает и при 550ºC она происходит со взрывом. При наявности катализатора, например платины, ход реакции ускоряется.

Молекулы воды отличаются большой устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000ºC водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород[4]:

2H2O ↔ 2H2 + O2.

Термическая диссоциация воды протекает с поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000ºC степень термической диссоциации не превышает 2%, т.е. равновесие между газообразной водой и продуктами ее диссоциации – водородом и кислородом - все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же ниже 1000ºC равновесие практически полностью сдвигается в этом направлении.

Кроме термической диссоциации вода способна также к электролитической, фитохимической и радиолитической диссоциации.

Электролитическая диссоциация воды в жидком виде происходит по схеме[4]:

H2O = H+ + OH¯

Вода – весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода.

С инертными газами вода образует гидраты, которые стойки при очень низких температурах. Вода окисляет кислородом в атомарном виде по схеме:

H2O + O2 = H2O2.

При обычных температурах вода реагирует с фтором с выделением атомарного кислорода[4]:

H2O + F2 = 2HF + O.

Кроме того, могут образовываться O2, O3, H2O2, F2O, которые являются продуктами взаимодействия атомов кислорода друг с другом и с F2, H2O.

Во время растворения в воде хлора происходит реакция гидролиза хлора по схеме[4]:

H2O + Cl2 = HCl + HOCl.

Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не окисляется в атмосфере воздуха.

Вода способна соединятся с рядом веществ, находящихся при обычных условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые гидраты газов. Примерами могут служить соединения Xe · 6H2O, Cl2 · 8H2O, C2H6 · 6H2O, C3H8 · 17H2O, которые выпадают в виде кристаллов при температурах от 0 до 24ºC (обычно при повышенном давлении соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды («хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами[4].

Клатраты используют для разделения углеводородов и природных газов. В последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Высокая экономичность и сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в качестве промышленного метода опреснения воды.

Воде присущи слабые окислительные качества за счет атомов водорода с высшей степенью окисления ионов H+. При высоких температурах и наличии катализаторов вода окисляет метан, оксид углерода (ІІ) , углерод, железо, фосфор, при обычных условиях - щелочные и щелочноземельные и их гидриды[4]:

CO + H2O = CO2 + H2 ↑ (катализатор Fe);

3Fe + H2O=Fe3O4 + 4H2↑;

CH4 + H2O = CO + 3H2↑ (1200 – 1400 °C без катализатора и при катализаторе – Ni или Co при 700 – 800 °C);

CaH2 + 2H2O = Ca (OH) 2 + 2H2↑;

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2↑.

При растворении в воде кислотных и щелочных оксидов образуются соответственно кислоты и щелочи, а при растворении солей, кислот, оснований происходит их гидратация, т. е. присоединение молекул воды к молекулам растворенного вещества.

Природные воды почти никогда не бывают химически чистыми, так как содержат различные вещества в растворенном и взвешенном состоянии. В процессе взаимодействия гидросферы с атмосферой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истинные растворы – это такие, в которых растворенные вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающими 10-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Коллоидные растворы более устойчивы, но в природных водах они встречаются в незначительных количествах[6].

Природные воды различаются между собой по химическому составу, концентрации, соотношению в форме соединений между химическими элементами, находящимися в растворе.

1.3 Биологические свойства воды.

Вода принимает участие в биологическом круговороте веществ, в процессе которого несколько изменяется. Она является одной из важнейших составных живых организмов. Вода входит в состав различных тканей и органов. Так, 22 - 34 % ее содержится в костях, до 70 – 80 % - в жировой ткани и до 82 – 94 % - в нервных волокнах.

В теле грудного ребенка воды содержится – до 65 % . По мере роста и накопления жировых отложений содержание воды в организме уменьшается, достигая примерно 60 % (40 – 42 литра) у среднего взрослого мужчины и 50% - у женщины[12].

Автотрофы – зеленые растения – трансформируют неорганические соединения, в частности воду, оксид углерода (ΙV) и минеральные соли в органические вещества тела клетки, молекулярная структура которой неимоверно велика. Основой этого процесса является реакция фотосинтеза, в результате которой из углекислого газа и воды при участии хлорофилла и солнечной энергии появляются органические вещества, входящие в состав клеток и выделяется кислород:

hν

6CO2 + 6H2O + 2,72 кДж―—–→ C6H12O6 + 6O2↑.

Хлорофилл

Гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, которые необходимы для их существования. Они используют питательные вещества, которые входят в состав организмов авто- и гетеротрофов. При этом вещества экзометрически расщепляются и окисляются на более простые. Все процессы происходят при непосредственном участии живого вещества.

Ряд автотрофных организмов – продуцентов неспособны использовать солнечную энергию, поскольку не имеют соответствующих пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных соединений.

Катаболизм, или процесс внутриклеточного разрушения питательных веществ, включает образование воды или участие ее молекул в окислении органических веществ и протекании восстановительных реакций. Последние обеспечивают использование химической энергии, которая содержится во всех питательных веществах. Движущая сила разрушения (анаэробного или аэробного) органического вещества обеспечивается действием ферментов (энзимов). Важнейшие особенности последних обусловлены их структурой. В зависимости от условий, в которых происходит процесс биологического окисления, получаются различные конечные продукты расщепления. Например, окисление глюкозы при аэробных условиях происходит по уравнению[14]:

C6H12O 6 + 6CO2 = 6CO2 + 6H2+2,72 кДж / моль,

В анаэробных –

C6H12O6 = 3CO2 + 3CH4 + 144 кДж /моль.

Выход энергии при анаэробных условиях составляет всего 5,3 % количества энергии, которая высвобождается в аэробных условиях. Исходя из этого, в аэробных условиях процесс получения жизненной энергии более экономичен, нежели в аэробных. Поэтому клеточное деление при аэробных условиях продуктивней, и, и как следствие этого, процессы разрушения органических веществ до конечного состояния происходят интенсивнее.

Итак, в природе вода совершает беспрерывный биологический круговорот при участии зеленых растений, консументов и при помощи микроорганизмов-редуцентов, которые трансформируют органические вещества в неорганические (воду, метан, углекислый газ, аммиак, водород и др.), и вода снова возвращается к зеленым растениям-продуцентам. Микроорганизмы имеют большое значение для поддержания биологической активности и осуществления круговорота веществ, в данном случае воды, в природе.

1.4 Водные растворы и взвеси.

Поскольку вода является хорошим полярным растворителем, все природные воды – это растворы различных неорганических и органических соединений. В воде растворяются газы, жидкости и твердые вещества, с которыми она контактирует. Поэтому такие растворы являются гомогенными системами, свойства которых определяются как природой и структурным строением самого растворителя (воды), так и свойствами растворенных веществ. При этом образуется не инертная смесь нескольких соединений, происходит их взаимодействие, сопровождаемое взаимным влиянием растворителя на растворенные структуры и наоборот.

Органические вещества обычно пребывают в воде в молекулярно-растворенном состоянии. Для воды, которая имеет ажурную льдоподобную структуру, возможны два типа растворимости – замещение и проникновение. По первому типу растворимости молекулы растворенного вещества имеют размеры, близкие к размеру молекул воды, аналогичное силовое поле и замещают их в структурных образованиях, а по второму – молекулы растворенного вещества проникают в пустоты, образованные элементами структуры воды, если размеры молекул отвечают размерам пустот и они неполярны. Возможно также размещение в нескольких пустотах без существенного изменения углов связей между молекулами воды, если размеры молекулы растворенного вещества не отвечают одной из пустот. Для веществ, которые имеют полярные (OH¯, NH2¯) и неполярные (CH3¯ ,C2H2¯) группы, первые могут замещать молекулы воды в структурном каркасе, а другие обычно размещаются в пустотах. Известно, что вещества, которые содержат углеводородные группы, при так называемой гидрофобной гидратации содействуют образованию додекаэдрических, тетрокаэдрических и гексаэдрических структур из молекул воды.

В природных водах как примеси преимущественно содержатся взвеси минеральных веществ. Вода взаимодействует с ними по-разному. Часто она химически связана с породами, которые попадают в нее во время размывания берегов или в результате поверхностного покрова. Вода также способна образовывать адсорбционные стабилизованные слои на поверхности частичек. Считают, что физические качества связной воды, которая пребывает под действием активных центров частичек породы, отличаются от качеств воды в объеме.

Растворы организма: Существуют два основных типа жидкостей организма – внутриклеточные и внеклеточные. Внеклеточные жидкости состоят большей частью из плазмы крови (ок. 3 литров) и тканевой жидкости (ок. 12 литров). Внутриклеточная жидкость является главным ингредиентом клеток, и у среднего взрослого человека ее объем составляет примерно 25 литров.

Таблица 1.2. Содержание жидкостей в организме человека[12].

Человеческое тело состоит из множества клеток, разделенных микроскопическими промежутками, по которым циркулирует тканевая жидкость. В нашем организме происходит непрерывный водный обмен с участием крови, межклеточных и тканевых жидкостей.

Кровь (состоящая из воды на 60 %) доставляет в растворенном виде необходимые клеткам (содержащим 80 % воды) питательные вещества. В процессе жизнедеятельности клетки вырабатывают углекислый газ, который необходимо удалять вместе с другими отходами. Вся эта работа выполняется при участии тканевой жидкости. Отходы сквозь стенки клеток попадают в тканевую жидкость, а оттуда сквозь стенки капилляров – в кровь. Одновременно из крови тем же путем поступает в клетки питание в виде кислорода и прочих химических веществ. И, наконец, отработавшая свой срок тканевая жидкость тоже вливается в кровоток.

Почти вся жидкость поступает непосредственно в кровь, но определенная ее часть возвращается в кровоток из лимфатической системы (рисунок 1.3), ведущей борьбу с болезнетворными микробами и содержащей молекулы – например, белковые, - которые слишком велики, чтобы проникнуть в кровь сквозь стенки капилляровр

. (

От многих продуктов жизнедеятельности клеток необходимо избавиться, и кровь несет их в почки, где проходит фильтрацию и очистку, а вредные вещества отделяются и растворяются в моче, состоящей главным образом из воды. Моча накапливается в мочевом пузыре и периодически выводится из организма.

Часть влаги непрерывно испаряется с потом при каждом выдохе. Небольшое ее количество присутствует и в кале (твердых экскрементах). В обычных условиях взрослый человек теряет за сутки 1,5 л воды.

Для нормального функционирования организму необходимо, чтобы содержание воды в нем оставалось более или менее постоянным, поэтому, непрерывно теряя воду, необходимо непрерывно восполнять ее запасы. Некоторое количество воды содержится в пище, но главная ее часть поступает с питьем. При обычной комфортной температуре и нормальном питании человек должен выпивать за день как минимум две трети литра воды. В жару, при тяжелых физических нагрузках или во время болезни организм теряет с потом гораздо больше жидкости, и, соответственно, возрастает потребность в питье. Таким образом, вода гораздо важнее для жизни, чем пища. Так как без ежедневного питья организм не сможет нормально функционировать. Если человек без особого вреда для себя может обходиться достаточно долго без еды, то без воды мы способны прожить гораздо меньше.