Учебное пособие Факторы среды обитания. Факторы среды обитания. ред.20.12.2013. Сарычев А. С., Гудков А. Б., Попова О. Н., Бузинов Р. В. Факторы среды обитания

• Название: Сарычев А. С., Гудков А. Б., Попова О. Н., Бузинов Р. В. Факторы среды обитания
• Анкор: Учебное пособие Факторы среды обитания
• Дата: 11.03.2020
• Размер: 3.07 Mb.
• Имя файла: Факторы среды обитания. ред.20.12.2013.doc
• Тип: Учебное пособие; #111600
• страница: 5 из 14

хроноконцентрационныеяды и концентрационные. Типичными примерами хроноконцентрационных веществ, токсический эффект при воздействии которых существенно зависит от фактора времени, являются фосген, яды, блокирующие ферментные системы и др. К ядам, при воздействии которых токсический эффект от времени практически не зависит, относятся синильная кислота HCN, многие летучие наркотики, местноанестезирующие вещества - кураре, кокаин. Обобщение Хьюбнера также весьма условно и имеет значение в тех случаях, когда проникновение яда в организм происходит очень быстро и с постоянной скоростью. В целом же, вопрос о соотношении между тремя переменными ω, С и τ чрезвычайно сложен и неоднозначен.

Кроме того, большое влияние на токсический эффект оказывает также «прерывистость» воздействия. Непрерывнымсчитают воздействие, когда концентрация яда в течение всего времени поступления остается постоянной. Если же периоды вдыхания яда чередуются с интервалами вдыхания чистого воздуха в определенной закономерности, такое воздействие называют прерывистым.Наконец, в случае, когда концентрация яда во время его воздействия изменяется беспорядочно, воздействие называют интермиттирующим.

В воздухе всегда содержится определенное количество ионизированных атомов и молекул газа (аэроионы) или твердые частицы в виде тумана, дыма или пыли (аэродисперсии), заряженных положительным или отрицательным электрическим зарядом. К ионообразующим факторам относятся: космические лучи, радиоактивные вещества, ультрафиолетовая радиация, открытое пламя и нагретые поверхности (термоионизация), атмосферное электричество. Распыление воды во время морских прибоев, в водопадах и горных реках также сопровождается выраженной ионизацией атмосферного воздуха. Под действием этих факторов происходит отщепление от молекул электронов, при этом остатки молекул приобретают положительный заряд. Ионы, существующие в воздухе в виде самостоятельных остатков газовых молекул или присоединенные к группе нейтральных молекул кислорода, азота, углекислого газа, озона и называется легкими, а связанные с частицами тумана, дыма или пыли - тяжелыми. Как результат в воздухе могут находиться положительные ионы кислорода (O₂⁺), окиси азота (NO⁺), двуокиси азота (NO₂⁺), оксониума (H₃O⁺), молекулы воды с оторванным электроном (H₂O⁺), а также отрицательные ионы кислорода (O₂^-), азота (N₂^-), окиси азота(NO^-). У поверхности Земли положительных ионов почти всегда чуть больше, а в верхних слоях атмосферы – наоборот.

Из гигиенических показателей степени ионизации воздуха обычно анализируется следующие: содержание ионов разных знаков, масса частиц, коэффициент униполярности (соотношение числа положительных к числу отрицательных ионов) и коэффициент загрязнения (соотношение суммарных количеств тяжелых металлов и легких ионов одного и того же знака).

Качество воздушной среды закрытых помещений по химическому составу в значительной степени зависит от качества окружающего атмосферного воздуха. Здания различного назначения имеют постоянный воздухообмен с окружающей воздушной средой и не защищают жителей от присутствующих в нем загрязнений.

Одним из главных внутренних источников загрязнения воздушной среды закрытых помещений являются строительные и отделочные материалы, изготовленные из полимеров. Только в строительстве на сегодняшний день перечень полимерных материалов насчитывает около 100 наименований. К сожалению не смотря на ряд положительных характеристик свойственных строительным материалам из полимеров (легкость, дешевизна, долговечность и др.), в результате многочисленных исследований установлено, что большая часть из них выделяют в воздушную среду те или иные токсические химические вещества, оказывающие вредное влияние на здоровье населения.

Прямая зависимость интенсивности выделения летучих веществ зависит от условий эксплуатации полимерных материалов — температуры, влажности, кратности воздухообмена, времени эксплуатации и от общей насыщенности помещений полимерными материалами. Исследования показали, что в помещениях с большой насыщенностью полимерами подверженность населения аллергическим, простудным заболеваниям, неврастении, гипертонии оказалась выше, чем в помещениях, где полимерные материалы использовались в меньшем количестве. Чтобы оградить людей от неблагоприятного действия веществ выделяющихся из полимерных материалов принято, что концентрации выделяющихся летучих веществ в жилых и общественных зданиях не должны превышать ПДК, установленные для этих веществ в атмосферном воздухе, а отношение суммарного показателя обнаруженных концентраций нескольких веществ к их ПДК должно быть не выше единицы. В настоящее время обоснованы допустимые уровни примерно для сотни химических веществ, выделяющихся из полимерных материалов.

Не менее мощным внутренним источником загрязнения среды помещений служат и продукты жизнедеятельности человека — антропотоксины. Установлено, что в процессе жизнедеятельности человек выделяет около 400 химических соединений. Исследования показали, что воздушная среда невентилируемых помещений ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении.

Химический анализ воздуха помещений позволил идентифицировать в них ряд токсических веществ, которые могут быть распределены по классам опасности следующим образом.

Второй класс опасности — высокоопасные вещества (диметиламин, сероводород, двуокись азота, окись этилена, бензол).

Третий класс опасности — малоопасные вещества (уксусная кислота, фенол, метилстирол, толуол, метанол, винилацетат).

В невентилируемых помещениях концентрации диметиламина и сероводорода как правило превышают ПДК для атмосферного воздуха. Превышают ПДК или находятся на их уровне и концентрации таких веществ, как двуокись и окись углерода, аммиак. Остальные вещества, хотя и присутствуют в десятых и меньших долях ПДК, вместе взятые свидетельствуют о неблагополучии воздушной среды.

Исследование воздушной среды в домах, где используется бытовой газ, показало, что через час от начала горения газа, в воздухе (всех) помещений присутствуют: окись углерода — в среднем 15 мг/м³, формальдегида — 0,037 мг/м³, окиси азота — 0,62 мг/м³, двуокиси азота — 0,44 мг/м³, бензола — 0,07 мг/м³. Температура воздуха в помещении во время горения газа повышалась на 3-6 ºС, влажность увеличивалась на 10—15%. После выключения газовых приборов содержание в воздухе окиси углерода и других химических веществ снижалось, но к исходным величинам возвращалось спустя 1,5-2,5 часа и более.

Одним из самых распространенных источников загрязнения воздушной среды закрытых помещений является курение. При спектрометрическом анализе воздуха, загрязненного табачным дымом, обнаружено 186 химических соединений. В недостаточно проветриваемых помещениях загрязнение воздушной среды продуктами курения может достигать 60-90%.

Таким образом, основные источники загрязнения воздушной среды помещения условно можно разделить на четыре группы:

1) вещества, поступающие в помещение с загрязненным атмосферным воздухом;

2) продукты деструкции полимерных материалов;

3) антропотоксины;

4) продукты сгорания бытового газа и бытовой деятельности.

Химическое загрязнение воздушной среды жилых, производственных и общественных зданий при определенных условиях (плохой вентиляции, чрезмерной насыщенности помещений полимерными материалами, большом скоплении людей и др.) может достигать уровня, оказывающего негативное влияние на состояние здоровья человека.

Обеспечение оптимальной воздушной среды жилых и общественных зданий — важная гигиеническая и инженерно-техническая проблема. Ведущим звеном в решении этой проблемы является кратность воздухообмена помещений, которая обеспечивает требуемые параметры воздушной среды. При проектировании систем кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях, необходимые количества подаваемого воздуха рассчитываются исходя из необходимости адекватной ассимиляции тепло- и влаговыделений человека, выдыхаемой углекислоты, а в помещениях, предназначенных для курения, учитывается и необходимость удаления табачного дыма.

Помимо регламентации количества сменяемого воздуха в единицу времени и его химического состава известное значение для обеспечения воздушного комфорта в закрытом помещении имеет электрическая характеристика воздушной среды, которая определяется ионным режимом помещений, т. е. количеством положительных и отрицательных аэроионов в воздухе.

Присутствие людей в помещениях вызывает снижение содержания легких аэроионов, причем процесс идет тем интенсивнее, чем больше в помещении людей и чем меньше его площадь. Важно знать, что искусственная ионизация атмосферы помещений без достаточного воздухообеспечения, в условиях высокой влажности и запыленности воздуха ведет к неизбежному нарастанию числа тяжелых ионов. Кроме того, в случае ионизации запыленного воздуха процент задержки пыли в дыхательных путях резко возрастает (пыль, несущая электрические заряды, задерживается в дыхательных путях человека в гораздо большем количестве, чем нейтральная). Следовательно, без улучшения всех гигиенических параметров воздушной среды искусственная ионизация не только не улучшает условий обитания человека, но, напротив, может оказать негативный эффект.

Пример: горы Абхазии (-) аэроионов до 20000 в 1 см³, в морском воздухе до 2000. в зеленом массиве средней полосы России 200-1000, в производственных помещениях 10-20, у экранов телевизора и компьютера - 0.
1.3. Состояние водной среды

"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 бы ее не заключало. Все земное вещество - под влиянием свойственных воде частных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты - ею проникнуто и охвачено".

В.И. Вернадский

Две трети нашей планеты покрыты океанами, морями, озёрами, реками. Много воды скрыто и в подземных глубинах. Еще в древности было замечено, что: «Aqua omnia sunt» — вода существует везде. Вследствие высокой подвижности вода легко и повсеместно проникает в различные природные образования.

Гидросфера (от греч. hydor - вода и sphaira – шар) - водная оболочка Земли, располагающаяся между атмосферой и литосферой; представлена совокупностью океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов. Она сложно взаимодействует с атмосферой и литосферой и, кроме того, являясь частью биосферы, целиком населена живыми организмами, которые оказывают воздействие на ее состав.

Основная масса воды гидросферы сосредоточена в морях и океанах (71% земной поверхности, или 96% объема гидросферы), второе место по объему водных масс занимают подземные воды (около 2%), третье — льды и снега полярных областей (главным образом ледниковые щиты Антарктиды и Гренландии, около 2%), около 0,02% — поверхностные воды суши (реки, озера, болота). Вода в природе находится в постоянном движении, она переходит из жидкого в твердое или газообразное состояние. Вода с поверхности океанов и морей, рек, озер и других водоемов испаряется и попадает в атмосферу. Здесь водяной пар конденсируется, образуя облака, а затем вода выпадает в виде дождя, снега и града на земную поверхность. Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (около 10 дней), вода переносится на значительное расстояние – до 1000 км, где возвращается либо в океаны, либо на континенты

Всемирные водные ресурсы распределены по территории Земли неравномерно, они не беспредельны и становятся основным фактором, ограничивающим устойчивое экономическое развитие во многих регионах. Повсюду увеличивается потребность в пресной воде для удовлетворения нужд растущего населения, урбанизации, промышленного развития, ирригации с целью получения продовольствия и т.д. Эта ситуация, несомненно, ухудшается при росте народонаселения, загрязнении поверхностных и подземных вод и угрозе изменений климата. Существуют даже прогнозы, что при удвоении народонаселения мира к середине следующего столетия и при стремительно растущих запросах через несколько лет наступит всемирный водный кризис.

Мировые запасы пресной воды составляют 34980 тыс. км³, а ежегодно возобновляемые (суммарный годовой сток рек) - 46800 км³ в год. Современное водопотребление в мире составляет 4130 км³ в год, а безвозвратное - 2360 км³ в год. Запасы пресных поверхностных и подземных вод на территории Российской Федерации составляют более 2 млн. км³, а ежегодно возобновляемые водные ресурсы - 4270 км³ в год.

Острейшей проблемой стало изменение качества природных вод и состояния водных экосистем под влиянием хозяйственной деятельности. Стремительное распространение веществ антропогенного происхождения привело к тому, что на поверхности Земли практически не осталось пресноводных экосистем, качество воды которых не изменилось бы в той или иной степени.

Значение воды для физиологии человека. Вода - одно из простейших природных соединений, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Возможно 42 сочетания этих атомов; 9 таких сочетаний устойчивы. Такая структура воды и затраты энергии на взаимопереходы её в различные состояния обусловливают ряд «аномальных» свойств, имеющих важное биологическое значение.

Вода обладает большой теплоемкостью. Биохимические процессы в водной среде протекают в меньшем диапазоне температур и с более постоянной скоростью. Доказано, что на 1 ккал энергозатрат организму необходим 1 мл воды. То есть для человека, суточные энергозатраты которого составляют 3000 ккал, физиологическая потребность в воде равна 3 л.

Вода имеет большую теплоту испарения. Испарение воды, связанное с преодолением сил молекулярного сцепления в ней, требует значительной энергии вследствие существования водородных связей между молекулами. Энергия, необходимая для испарения воды, черпается из ее окружения, что приводит к охлаждению окружающих предметов. Это свойство воды используется организмом для поддержания температурного гомеостаза через потоотделение. Во время испарения 1 г влаги организм теряет 2,43 кДж (0,6 ккал) тепла.

Вода имеет большую теплоту плавления, что уменьшает вероятность замерзания цитоплазмы клеток и межтканевой жидкости при низкой температуре внешней среды. Кристаллы льда губительны для живого, они могут повредить оболочку клетки.

Вода - универсальный растворитель для полярных молекул - солей, спиртов, сахаров. Она обладает уникальной способностью разрывать практически все виды молекулярных и межмолекулярных связей и образовывать растворы. Это обусловливает большое разнообразие состава природных вод, зависящее как от природных (состав водовмещающих горных пород, состав биоценоза водного объекта), так и от техногенных (сброс промышленных сточных вод, промышленные выбросы в атмосферный воздух, аварии танкеров и пр.) факторов.

Перечисленные «аномальные» физико-химические свойства воды объясняют её активное участие в физиологических процессах и обмене веществ в живом организме.

В организме всех живых существ содержится определенное количество воды. Трехдневный зародыш человека состоит из воды на 97%, трехмесячный — на 91%, новорожденный — на 80%. Взрослый организм содержит 66—70% воды, причем около 70% её количества в организме — внутриклеточная вода. В межклеточном пространстве содержится 25% воды, остальная — в кровяном русле. Между этими тремя основными бассейнами происходит интенсивный обмен жидкостью. Вся жидкость организма фильтруется через почки 4 раза за сутки (это около 1700 л/сутки) (с учетом того что каждую минуту почки пропускают более 1 литра крови, производя за сутки 1,5 л. мочи).

Вода представляет собой внутреннюю среду организма, в которой протекают все жизненно важные процессы: ассимиляция, диссимиляция, осмос, диффузия, резорбция, фильтрация и др.

Обмен веществ (процессы гидролиза, окисления и др.) возможен только при условии полного растворения продуктов, поступающих в организм, и продуктов обмена. Растворителем для них является вода. В ней растворены минеральные соли, создающие определенное осмотическое давление в крови и тканях. Вода способствует сохранению коллоидального состояния живой плазмы. Нарушение этого состояния при недостатке воды приводит отдельные клетки и целый организм к гибели. Вода имеет большое значение для структурной организации биологических мембран и их основы - двойного липидного слоя, в котором гидрофильные поверхности каждого монослоя взаимодействуют с водой, отграничивая от нее гидрофобное пространство внутри мембраны, между монослоями. Взаимодействие белков с водой приводит к их конформации (от лат. conformation- форма, построение, расположение) с соответствующим расположением гидрофобных и гидрофильных групп в белковой глобуле, что обеспечивает физиологическое функционирование белков.

Процесс кроветворения и синтез тканей совершаются в водных растворах или с участием воды.

Водная среда необходима для переваривания пищи в желудочно-кишечном тракте.

Тепловой баланс организма зависит от наличия воды, так как вода, выделяемая потовыми железами кожного покрова, слизистыми оболочками и дыхательными путями, участвует в процессе терморегуляции, регулирует температуру тела.

При нормальных условиях человек находится в состоянии водного равновесия, нарушение которого приводит к тяжелым последствиям. Если содержание воды в организме человека уменьшается на 1-2%, появляется жажда, при потере 5% — развивается помрачение сознания, галлюцинации, при потере жидкости в объеме 20-25 % наступает смерть.

Для поддержания физиологических потребностей организма требуется 1,5-2,0 л воды в сутки, причем в это количество включается вода, входящая в состав первых и третьих блюд. При тяжелой работе и в условиях повышенной температуры воздуха (жаркий климат, жаркая погода, горячие цеха) потребность в воде для облегчения процессов терморегуляции возрастает до 10-12 л в сутки. При обычной температуре и влажности воздуха суточный водный баланс здорового взрослого человека составляет примерно 2,2-2,8 л.

Вода, принятая с пищей, дольше задерживается в организме, чем выпитая натощак. Ионы натрия, находящиеся в продуктах питания, способствуют накоплению воды, а ионы калия — ее выделению. Поэтому для нормальной жизнедеятельности организма необходима рациональная организация как питьевого, так и пищевого режима. Следует подчеркнуть неразрывную связь водного и минерального (солевого) обмена в организме, представляющего собой единый комплекс физиологических процессов.

Выделение воды осуществляется: с мочой - 1,5 л; с потом - 400-600 мл; с выдыхаемым воздухом - 350-400 мл; с калом - 100-150 мл.

С мочой из организма выводятся различные вредные шлаки, образующиеся в результате обмена веществ, а интенсивность её ыделения почками регулируется, в свою очередь, гормоном задней доли гипофиза — вазопрессином. Поддержание нормального соотношения воды и концентрации электролитов контролируется дезоксикортикостероном и альдостероном коры надпочечников. Поэтому в норме между внеклеточной и внутриклеточной водой существует динамическое равновесие.

Наиболее интенсивное всасывание воды происходит в тонком и особенно в толстом кишечнике.

Потери воды компенсируются: человек в сутки выпивает примерно 1,5 л воды; получает с пищей - 600-900 мл; в результате окислительных процессов в организме в сутки образуется 300-400 мл воды.

Естественно, что суточный объем потребления и выделения воды может достаточно широко варьировать в зависимости от температуры окружающей среды, от интенсивности физической работы, привычек конкретного человека.

Известно, что без употребления воды человек может существовать в среднем около 5 дней. При недостатке воды затрудняется теплорегуляция, нарушается пищеварение и всасывание питательных веществ в кишечнике, задерживается выведение из организма продуктов обмена, наблюдается сгущение крови, наступает интоксикация. В результате интоксикации происходят резкие изменения в составе крови, дегенеративные явления в сердце, печени, почках и других органах, нарушения обмена веществ, характеризующиеся усиленным распадом белков и выключением антитоксической функции печени. Установлено, что процессы старения также связаны с потерей воды клетками.

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода (H₂O) (рис.1) и является так называемой полярной молекулой, потому что ее положительный и отрицательный заряды не распределены равномерно вокруг какого-то центра, а размещены асимметрично, образуя положительный и отрицательный полюсы. Рисунок показывает в чрезвычайно упрощенном виде, как присоединены два атома водорода к одному атому кислорода, образуя молекулу воды. Эта чрезвычайно важная особенность молекулы воды была установлена чисто умозрительно задолго до эпохи спектроскопических исследований английским профессором Д. Берналом.

Жозеф Луи Гей-Люссак и Александр Гумбольдт, проведя совместные опыты в 1805 году, впервые установили, что для образования воды необходимы два объема водорода и один объем кислорода. Подобные мысли были высказаны и итальянским ученым Амедео Авогадро. В 1842 г. Жан Батист Дюма установил весовое соотношение водород и кислорода в воде как 2:16. Экспериментальные исследования, выполненные в XIX веке весовыми и объемными методами, в конце концов, убедительно показали, что вода как химическое соединение может быть выражена формулой H₂O.

Физические свойства воды. Удивительным для живой природы свойством воды является её способность при "нормальных" условиях быть жидкостью, поскольку она не признает периодической закономерности, а следует своим законам. Объясняется это довольно просто - большая часть молекул воды соединена водородными связями. Если бы их не было, то вода кипела бы уже при минус 95 °C. Энергия водородных связей достаточно велика, и разорвать их можно лишь при значительно более высокой температуре. Даже в газообразном состоянии большое число молекул H₂O сохраняет свои водородные связи, объединяясь в димеры (H₂O)2. Полностью водородные связи исчезают только при температуре водяного пара 600 °C.

При нормальном давлении чистая вода кипит при 100 ºС. Кипение может быть достигнуто и при понижении внешнего давления, так как в этом случае давление пара, равное внешнему давлению, достигается при более низкой температуре. На горных вершинах 5000-7000 м давление и соответственно точка кипения настолько понижаются, что вода становится непригодной для варки пищи - не достигается требуемая температуры воды. При достаточно высоком давлении воду можно нагреть настолько, что в ней может расплавиться свинец (327 °С), и все же она не будет кипеть. Необычайно велики пределы допустимых значений переохлаждения и перегрева воды - при аккуратном нагревании или охлаждении вода остается жидкой от минус 40 °C до плюс 200 °C. Тем самым температурный диапазон, в котором вода может оставаться жидкой, расширяется до 240 °C.

Жизненно важной для всей биосферы является способность воды при замерзании уменьшать, а не увеличивать свою плотность (как это происходит почти со всеми остальными веществами). Впервые на это необычное свойство воды обратил внимание еще Г. Галилей. Если взять обычную воду и постепенно охлаждая ее следить за изменением плотности, то можно заметить, что вначале будет происходить совершенно обычный и естественный процесс - вода становится при охлаждении все плотнее и плотнее, и никаких отклонений от нормы не будет, до тех пор, пока вода не остынет до 4 °C. Ниже этой температуры вопреки общим представлениям вода вдруг становится легче, а замерзая, она делается еще легче и образует лед, который плавает по поверхности воды. Замерзая, вода расширяется на 9% по отношению к прежнему объему. Именно эта особенность воды предохраняет от сплошного промерзания в суровые зимы озера и пруды и тем самым спасает жизнь их обитателям.

Морская вода (в каждом литре которой содержится около 35 граммов солей) при охлаждении ведет себя совсем по-иному. Наибольшая плотность у неё регистрируется при более низких температурах, чем у пресной, а именно при минус 3,5 °C. Но замерзает морская вода при минус 1,9 °C, т.е. она превращается в лед, не достигая максимальной плотности.

Количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1°, достаточно, чтобы нагреть на 1° 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды (моря, океаны) способы сглаживать эти колебания, но это справедливо и для обычного водяного пара атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Известно, что нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Теплоемкость воды (1 кал) в 2 раза больше теплоемкости льда (0,5 кал), хотя для других веществ плавление почти не сказывается на этой величине. Удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному грамму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус Цельсия. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Эта особенность объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H₂O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. И, во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H₂O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

Известно, что одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии. В самом общем виде этот закон формулируется так: энергия из одной формы переходит в другою (например, тепловая энергия может превращаться в механическую) не уничтожаясь; в замкнутой системе общее количество энергии остается постоянным.

Вода обладая исключительной теплоемкостью, как вещество, может накопить больше тепловой энергии при меньшем движении атомов и молекул, чем любое другое широко распространенное вещество. Энергия остается в воде и будет высвобождаться в виде тепла, когда температура окружающей среды понизится и как результат - понижение температуры не будет таким резким. Вода, замерзая, отдает то же самое количество тепла, которое она поглощает при таянии льда. Известно, что труднее переносить жаркую, но сырую погоду с температурой около 30°, чем сухую и ясную погоду с еще более высокой температурой.

У воды самая высокая в мире минералов скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления. Чтобы выпарить воду из чайника, тепла потребуется в пять с половиной раз больше, чем для того, чтобы вскипятить его. Если бы не это свойство (медленно испаряться в жару), многие озера и реки летом пересыхали бы до дна. Для плавления льда нужно затратить большое количество теплоты. Скрытая теплота плавления (количество тепла, необходимое для расплавления 1 г льда при температуре 0°) составляет 79,4 кал. Вот почему весеннее таяние льда происходит медленно, что спасает нас в большинстве случаев от больших половодий.

Основная электрическая характеристика любой среды - диэлектрическая проницаемость - в случае воды демонстрирует необычные для жидкости особенности, что объясняется особенностями молекулы H₂O. Вода - сильно полярная жидкость и поэтому обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H₂O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле.

Вследствие сцепления на поверхности воды образуется натяжение, и для того, чтобы разорвать поверхность воды, требуется физическая сила, причем, как это ни странно, довольно значительная. Ненарушенная водная поверхность может удерживать на себе предметы, которые значительно "тяжелее" воды, например стальную иголку или лезвие бритвы, или некоторых насекомых, которые скользят по воде, словно это не жидкость, а твердое тело. Из всех жидкостей, кроме ртути, у воды самое большое поверхностное натяжение.

Несмотря на все аномалии воды именно её выбрал человек в качестве эталона для измерения температуры, массы (веса), количества тепла, высоты местности.

В древности, в Греции и Риме, вода помогала человеку измерять время. Часы были очень простой конструкции: наполненный водой медный сосуд с узким отверстием на дне, через которое медленно, капля за каплей, вытекала вода. По уровню воды в сосуде и определяли "истекшее" (в буквальном смысле слова) время. Для этого на стенках сосуда были нанесены отметки - черточки. Водяные часы (клепсидра) заменяли собой в пасмурную погоду солнечные часы. Греки ставили клепсидру в суде, чтобы всем участникам процесса предоставлять одинаковое время для выступления. Вот из какой глубокой древности дошло до нас современное выражение: "Ваше время истекло!".

Немецкий физик Фаренгейт, проживший большую часть своей жизни в Голландии, изобрел в 1714-1715 гг. ртутный термометр и сделал температурную шкалу, носящую его имя. В качестве "реперов" (исходных точек) для шкалы он принял точку кипения воды, которую обозначил 212°, и точку, соответствующую температуре смеси льда с солью (-17,5 °С), обозначив ее 0°. Затем разделил шкалу от 212 до 0° на 212 равных частей. Температура таяния льда (0° по шкале Цельсия) соответствует 32° по шкале Фаренгейта. Таким образом, по этой шкале температурный интервал между точкой кипения воды и точкой таяния льда разделен на 180 делений - от 212 до 32° (а не на 100 делений, от 100 до 0°, как на шкале Цельсия).

Шведский физик Андерс Цельсий, член Стокгольмской академии наук, создал в 1742 г. стоградусную шкалу термометра, которой в настоящее время пользуются почти повсеместно. Теперь точка кипения воды обозначена 100°, а точка таяния льда 0°, хотя первоначально было наоборот (точка кипения воды 0°, а точка таяния льда 100°).

При разработке метрической системы, установленной по декрету французского революционного правительства в 1793 г. взамен различных старинных мер, была использована вода для создания основной меры массы (веса) - килограмма и грамма. 1 г, как известно, это вес 1 см³ (миллилитра) чистой воды при температуре ее наибольшей плотности - 4 °С. Следовательно, 1 кг - это вес 1 л (1000 см³) или 1 дм³ воды, а 1 т (1000 кг) - это вес 1 м³ воды.

Вода была использована и для измерения количества тепла. Единица количества тепла - калория. Она определяется как количество тепла, необходимое для нагревания 1 г чистой воды на 1 °С (точнее, для нагревания 1 г воды с 14,5 до 15,5 °С).

Все высоты и глубины на земном шаре отсчитываются от уровня моря. Несмотря на непостоянство, поверхность моря с давних пор признана учеными-геодезистами самой пригодной исходной поверхностью для определения так называемой абсолютной высоты, иначе называемой высотой над уровнем моря. Абсолютная высота отсчитывается обычно от среднего уровня того моря, на берегу которого расположена данная страна. Если страна находится вдали от морских берегов, измерения привязываются к среднему уровню ближайшего моря. В России абсолютные высоты отсчитываются от среднего уровня Балтийского моря - от нуля Кронштадского футштока, высотное положение которого совпадает со средним многолетним уровнем Финского залива и, следовательно, Балтийского моря. По этому футштоку, установленному на каменном устое моста через Обводный канал в Кронштадте, ведутся непрерывные наблюдения. Нуль футштока совмещен с горизонтальной чертой, высеченной на устое моста, и закреплен медной пластиной с надписью "Исходный пункт нивелирной сети России". Увидеть эту черту можно только тогда, когда уровень воды в канале ниже среднего (ординара).

Химические свойства воды. Как уже упоминалось воды морей и океанов содержат, в среднем, 3,5% растворенных веществ. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат HCO₃-, хлорид Cl- и сульфат SO₄2-) и четыре катиона (кальций Ca²⁺, магний Mg²⁺, натрий Na⁺ и калий K⁺) - их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния - горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90-95%, а в высокоминерализованных - свыше 99 % всех растворенных веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов считают 1 мг/л.

Отнесение ионов K⁺ к числу главных является спорным. В подземных и поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках ионы K⁺ могут играть главную роль. Относительные концентрации основных ионов морской воды во всех океанах Земли отличаются высокой стабильностью. Помимо ионов, морская вода содержит растворенные газы и органические соединения.

Содержание различных веществ в пресных водах меняется в зависимости от местоположения водоема. Химический состав рек, озер и грунтовых вод зависит от состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений, процессов разрушения горных пород и разложения органического вещества в почвах, различного вовлечения в биологические процессы. Кроме того, сильное влияние на пресные воды может оказывать деятельность человека.

Разрушая горные породы, пресные воды обогащаются содержащимися в них элементами. Тем не менее, ионный состав растворенных в пресной воде веществ, принципиально отличается от состава континентальной коры. Это особенно характерно для алюминия и железа. Причиной низкой концентрации в природных водах этих элементов является их склонность к образованию малорастворимых соединений. В то же время катионы с низкими зарядами легко переходят в раствор.

Среди анионов существенно преобладают гидрокарбонат- и сульфат-ионы, которые извлекаются водой из горных пород. Так, при прохождении через карбонатные горные породы (например, известняк) природные воды насыщаются гидрокарбонатами. Под действием растворенного в воде диоксида углерода малорастворимый карбонат кальция превращается в гидрокарбонат, хорошо растворимый в воде.

Большая часть почвенных вод, питающих реки, и грунтовые воды имеют среду, близкую к нейтральной. Закисление пресных вод может происходить в результате поступления дождевой воды, обычно имеющей слабокислую реакцию (за счет растворения диоксида углерода и других газов), а также разложения органических веществ с образованием карбоновых кислот. Несмотря на все большее распространение "кислотных дождей", подкисленные пресные воды встречаются не очень часто. Это связано с расходом катионов водорода в процессах разрушения некоторых минералов. Подкисление пресной воды особенно заметно в горных областях с большим количеством дождевых осадков.

Щелочные воды встречаются реже, так как они нейтрализуются такими атмосферными газами, как диоксид углерода и диоксид серы. Обычно это – результат загрязнения воды отходами с высокими значениями рН.

Все природные воды представляют газовые растворы. В поверхностных водах преобладают кислород O₂ и двуокись углерода CO₂, а в подземных - сероводород H₂S и метан CH₄.

Кислород (O₂) находится в природной воде в виде растворенных молекул, а поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л,). Вследствие зависимости концентрации кислорода в поверхностных водах от целого ряда факторов его концентрация значительно меняется в течение суток, сезона и года. Вблизи поверхности идет активный фотосинтез, в результате чего вода обогащается кислородом, который являясь сильным окислителем играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков.

Диоксид углерода (CO₂) находится в воде главным образом в виде растворенных молекул газа CO₂. Содержание диоксида углерода в природных водах чрезвычайно разнообразно - от нескольких десятых долей до 3000-4000 мг/л. Наименьшая концентрация CO₂ наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO₂ редко превышает 20-30 мг/л. Между CO₂ атмосферы и CO₂ поверхностных вод существует непрерывный обмен, направленный на установление между ними равновесия, согласно закону Генри-Дальтона.

Растворенный молекулярный азот (N₂) - наиболее постоянный газ в природных водах. Являясь химически устойчивым и биологически трудно усвояемым, азот, попадая в глубинные слои океана или подземные воды, меняется главным образом лишь под влиянием физических условий (температура и давление). Растворенный в поверхностных водах азот имеет преимущественно воздушное происхождение.

Газ метан (CH₄) относится к числу наиболее распространенных газов в подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан. Основным источником образования метана служат дисперсные органические вещества в породах. Метан и тяжелые углеводороды, нередко встречаются в значительных концентрациях в глубинных подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными месторождениями. В небольшой концентрации метан наблюдается в природных слоях озер, где он выделяется из ила при разложении растительных остатков, а также в океанических донных отложениях в районах высокой биологической продуктивности.

Газ сероводород (H₂S) является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона (Черное море). При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невозможно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде. В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Присутствие сероводорода в природных незагрязненных поверхностных водах - сравнительно редкое явление. Гораздо чаще сероводород присутствует в подземных водах, изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах, в которых он служит показателем загрязнения.

Кроме главных ионов, содержание которых в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").

Азот в форме нитратов NO₃- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины (NH₂)2CO и солей аммония NH⁴⁺ - при разложении органических остатков.

Фосфор существует в воде в форме гидрофосфатов HPO3^2- и дигидрофосфатов H₂PO^3-, образующихся в результате разложения органических остатков.

Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Концентрация кремния в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных водах она повышается и часто достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет увеличение pH раствора. Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой.

Алюминий поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин): Al₂[Si₂O₅](OH)₄ + 6H⁺ = 2SiO₂ + 5H₂O + 2Al³⁺

Основной источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки, находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей гуминовых кислот:

Когда вода с растворёнными в ней ионами Fe²⁺ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)_3. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит) FeO(OH).

Соединения, которых встречаются в природных водах в очень малых концентрациях, называют микроэлементами. Их концентрация измеряется микрограммами в 1 л (мкг/л), а часто имеет и ещё меньшие значения. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в нее входят почти все элементы периодической системы. Условно их можно разделить на пять подгрупп:

1) типичные катионы (Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.);

2) ионы тяжелых металлов (Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ и др);

3) амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn);

4) типичные анионы (Br^-, I^-, F^-);

5) радиоактивные элементы.

Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется в соответствие с требованиями, изложенными в СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

Ряд химических веществ вызывают микрохимические загрязнения, или водные интоксикации.

Выделяют группу элементов (это медь, кадмий, свинец), избыток которых оказывает неблагоприятное влияние на сердечно-сосудистую систему.

Свинец у детей проникает через гематоэнцефалический барьер, вызывая поражение мозга, кроме того способен вытеснять кальций из костной ткани.

Ртуть вызывает болезнь Минамата (выраженное эмбриотоксическое действие).

Кадмий вызывает болезнь Итай-Итай (нарушение обмена липидов).

Металлы, опасные по эмбриотоксическому действию образуют, гонадотоксический ряд, который выглядит так: ртуть – кадмий – таллий – серебро – барий — хром – никель – цинк.

Мышьяк обладает выраженной способностью к кумуляции в организме, его хроническое действие связано с воздействием на периферическую нервную систему и развитием полиневритов.

Бор обладает выраженным гонадотоксическим действием. Нарушает сексуальную активность мужчин и овариально-менструальный цикл у женщин. Бором богаты природные подземные воды Западной Сибири.

Ряд синтетических материалов, используемый в водоснабжении, способен вызвать возникновение интоксикации. Прежде всего, это: синтетические трубы, полиэтилен, фенолформальдегиды, коагулянты и флокулянты (полиакриламид), смолы и мембраны, используемые в опреснении. Опасны для здоровья, попадающие в воду ядохимикаты, канцерогенные вещества, нитрозамины, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) - обладающие аллергенным действием и способствующие лучшему усвоению канцерогенных веществ и ядохимикатов.

При пользовании водой, содержащей повышенные концентрации нитратов, дети раннего грудного возраста заболевают водно-нитратной метгемоглобинемией. Легкая форма заболевания может быть и у взрослых. Нитраты в питьевую воду преимущественно поступают в результате использования азотистых удобрений в сельском хозяйстве.

Химический состав природной воды определяется предшествующей историей, т.е. тем путем, который она совершает в процессе своего круговорота. Количество растворенных веществ в такой воде будет зависеть, с одной стороны, от состава тех веществ, с которыми она соприкасалась, с другой - от условий, в которых происходили эти взаимодействия. Влиять на химический состав воды могут следующие факторы: горные породы, почвы, живые организмы, деятельность человека, климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

В пресные водоемы и прибрежные области морей и океанов в результате работы промышленных предприятий и транспорта поступают значительные объемы загрязняющих веществ различной природы, что приводит к нарушению природных процессов самоочищения.

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное (естественное) загрязнение – процесс, при котором источниками загрязнителей являются природные процессы и явления, напрямую не обусловленные деятельностью человека (извержения вулканов, пыльные бури, наводнения, стихийные пожары и т.п.).

Антропогенное (искусственное) загрязнение - результат деятельности человека. В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных.

Загрязнение воды - изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление.

При всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными.

К первой группе (изменяющихся в водной среде) относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий.

Вторую группу (остающихся неизменными) составляют неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов.

Типы загрязнения поверхностных и подземных вод:

-механическое – повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнения;

-химическое – наличие в воде неорганических и органических веществ токсического и нетоксического действия;

-бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

-радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ в водах;

-тепловое – выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных электростанций.

Поступающие в водоем загрязнения в зависимости от их объема и состава могут оказывать на него различное влияние:

1) изменяются физические свойства воды (изменяется прозрачность и окраска, появляются запахи и привкусы);

2) появляются плавающие вещества на поверхности водоема и образуются отложения (осадок на дне);

3) изменяется химический состав воды (изменяется реакция, содержание органических и неорганических веществ, появляются вредные вещества и т. п.);

4) уменьшается в воде содержание растворенного кислорода вследствие его потребления на окисление поступивших органических веществ;

5) изменяется число и видовая структура бактерий (появляются болезнетворные), вносимых в водоем вместе со сточными водами.

Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а иногда и для технического водоснабжения; в них погибает рыба.

Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности - горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. (Для выплавки 1т чугуна, перевода его в сталь и прокатки требуется 300 м³, для производства 1т меди - 500, 1т никеля - 4000 м³ пресной воды).

Наибольшее количество загрязнителей поступает в водные объекты от предприятий нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной, металлургической, текстильной промышленности.

Формирование химического состава поверхностных и подземных вод в условиях антропогенного воздействия характеризуется:

а) повышением (или понижением) концентрации тех компонентов природных вод, которые обычно присутствуют в незагрязненной воде;

б) изменением направленности естественных гидрохимических процессов;

в) обогащением вод веществами, чуждыми природной воде.

Одним из основных загрязнителей воды является нефть и нефтепродукты. Например, если поверхность воды покрыта пленкой нефти, жирных кислот или других плавающих загрязнителей, поступающих со сточными водами, то многие химические и биохимические процессы существенно изменяются, так как ограничивается поступление в воду кислорода, света, уменьшается испарение воды, меняется состояние карбонатной системы. Проблема самоочищения и очистки водных систем, охраны вод от загрязнения уже давно стала не только гидрологической.

Факторами, влияющими на токсичность веществ в воде, являются:

1) температура, газовый состав, жесткость, рН, скорость течения воды и инсоляция;

а) с температурой воды тесно связана растворимость химических веществ, и величина их концентраций. Чем выше температура воды, тем больше растворимость большинства ядов и их концентрация в воде. При низкой температуре многие соединения выпадают в осадок, т.е. становятся менее опасными для живых организмов.

б) дефицит растворенного в воде кислорода приводит к снижению окислительной способности воды по отношению к промышленным токсикантам.

в) повышенное содержание углекислоты в водоеме меняет буферные свойства воды и благодаря этому снижает действующую концентрацию вещества;

г) жесткость воды влияет на токсичность двояко: высокоминерализованная вода, образуя с неорганическими веществами, в основном, нерастворимые комплексы, уменьшает действующие концентрации ядов. В мягкой воде химические вещества хорошо растворяются и их токсичность обычно выше, чем в жесткой.

д) взаимосвязь токсичности и рН воды наиболее четко проявляется у тех веществ, которые могут существовать в ионизированной и неионизированной формах. Так, аммиак при рН 8,0 в 10 раз токсичнее, чем при рН 7,0 за счет резкого повышения концентрации неионизированных молекул (NH₃). Действие сероводорода, сульфидов и цианидов усиливается по тому же принципу при сдвиге рН в кислую сторону.

2. Растворимость токсиканта в воде - необходимое условие его резорбции во внутренние среды организма: corpora non agunt nisi soluta (что не растворяется, то не действует). Для того чтобы достичь структуры-мишени токсикант также должен попасть в водную фазу, так как вода - основа межклеточной жидкости организма. Полярность молекулы воды требует и от токсиканта известной полярности. Поэтому растворимость вещества в воде зависит от наличия и количества в его молекуле полярных групп и их строения.

3. Из физических факторов следует учитывать скорость течения воды, играющую важную роль в разбавлении и сносе сточных вод, и солнечный свет, ускоряющий их детоксикацию.

Факторы, влияющие на доступность токсикантов, усвоение и воздействие на организм, могут быть совершенно разной природы:

– химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы, частота воздействия);

– физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

– биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья, акклиматизация).