Аномальные свойства воды
РОЛЬ ВОДЫ В БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССАХ
Вода — самое распространенное вещество на Земле, изначально существовавшее на нашей планете.
Молекулы воды, состоящие из двух атомов водорода и одного атома кислорода, образуют исключительно устойчивое химическое соединение, которое может существовать в самых разных условиях — в космосе, на поверхности Земли и в ее мантии. Атомы водорода и кислорода существуют в виде нескольких нуклидов. Стабильных нуклидов водорода два — обычный водород 1Н, или протий, и тяжелый водород 2Н, или дейтерий (их соотношение в природе 6700:1). Стабильных нуклидов кислорода три — 1бО, 17О и 18О (их соотношение в природе - 99,759 % ; 0,037 % ; 0,204 %). Обычная природная вода, содержащая нуклиды 1Н и 1бО, составляет 99,73 % гидросферы Земли.
Вода — одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред, образовавшихся в результате эволюции Земли. Она составная часть биосферы, обладает целым рядом аномальных свойств, определяемых структурой ее молекул и влияющих на протекающие в экосистемах физико-химические и биологические процессы.
Аномальные свойства воды
Как известно, свойства простых и сложных веществ находятся в зависимости от их относительной молекулярной массы. С этой точки зрения вода должна быть подобна химическим соединениям водорода с другими элементами VI группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: серой (H2S), селеном (H2Se) и теллуром (Н2Те), т. е. кипеть при -70 °С и замерзать при -90 °С (пунктир на рисунке).
Если бы вода обладала такими свойствами, то на Земле она могла бы существовать только в виде пара. Однако вода, в отличие от приведенных веществ, имеет очень высокие температуры замерзания (0 °С) и кипения (100 °С). Это позволяет ей существовать на нашей планете во всех агрегатных состояниях (водяной пар атмосферы, Мировой океан, ледники), что имеет большое значение для геологических, климатических и биологических процессов на Земле.
В отличие от большинства веществ, плотность которых с понижением температуры увеличивается, вода имеет наибольшую плотность при 4 °С (р = 1000 кг/м3), выше и ниже этой температуры она меньше. Плотность воды при 0 °С равна 999,968 кг/м3, тогда как плотность льда при этой температуре — 916,8 кг/м3. Поэтому при замерзании водоемов лед не опускается на дно, а глубокие водоемы вообще не промерзают до дна, за счет чего в них сохраняется жизнь.
Вода обладает уникальными тепловыми характеристиками во всех ее агрегатных состояниях — очень высокими теплотой плавления льда, теплотой испарения и теплоемкостью. Из всех природных твердых и жидких веществ вода обладает наибольшей теплоемкостью: удельная теплоемкость воды при нормальных условиях составляет 4,19 кДжДкг • град). Это делает воду, при том ее количестве, которое имеется на Земле, планетарным аккумулятором тепла, а с учетом круговорота воды, охватывающего все подразделения биосферы, и планетарным переносчиком тепла.
Вода — мощный тепловой стабилизатор, обеспечивающий устойчивый климат на планете в течение тысячелетий. Парниковый эффект, обусловленный присутствием в атмосфере водяного пара и углекислого газа, обеспечивает среднегодовую температуру у поверхности Земли порядка 15 °С, при этом на долю водяного пара приходится 60 % теплового излучения, отражаемого земной поверхностью. Уменьшение содержания водяного пара в атмосфере наполовину вызвало бы понижение температуры у поверхности Земли до катастрофического значения -5 °С. К счастью, в отличие от углекислого газа, содержание которого в атмосфере за счет антропогенных выбросов возрастает (происходит усиление парникового эффекта), содержание водяного пара в атмосфере, обусловленное глобальным геобиохимическим круговоротом воды в биосфере, достаточно стабильно.
Вода — среда жизни
В ходе эволюции вода создала окружающую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (Мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она стала тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.
Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70-80 %, т. е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество — это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.
По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л — жидкая составляющая — плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, — транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л воды в сутки (непосредственно и с пищей). В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество — почти четвертую часть годового стока всех рек мира. Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5 % воды, а обезвоживание на 15-25 % приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.
Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, — биогенного происхождения. Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза — важнейшего биохимического процесса на нашей планете. С помощью масс-спектрометрии и с использованием изотопной разновидности воды Н218О было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода:
nCO2 + nH218O ® [CH2O]n + n18O2
Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:
nCO2 + 2nH218O ® [CH2O]n + n18O2
откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.
Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на Земле зародился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды — глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник — составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», — считал В. И. Вернадский.
Круговорот воды в природе — это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т. е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода — это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации — испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, — писал В. И. Вернадский, — и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее... Картина видимой природы определяется водой...»
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ПЛАНЕТЫ
Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глу бокой древности связана с использованием воды. Вода — ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.
Вода — один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде всего электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепловых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогенераторы.
Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 6017;