Михаил Ахманов - Вода, которую мы пьем

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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