Основную роль в регулировании содержания CO2 в атмосфере играют океаны. Между Мировым океаном и атмосферой Земли устанавливается равновесие: углекислый газ CO2 растворяется в воде, превращаясь в угольную кислоту H2CO3, и далее превращается в донные карбонатные осадки. Дело в том, что в морской воде содержатся ионы кальция и магния, которые с карбонатным ионом могут превращаться в малорастворимый карбонат кальция CaCO3 и магния MgCO3. Многие морские организмы извлекают первую соль из морской воды и строят из нее панцири. При отмирании этих организмов за большие периоды времени на дне образуются огромные скопления панцирей. Так формируются залежи мела, а в результате вторичных геологических превращений - залежи известняков, часто в виде бутовых плит. Как мел, так и бутовый камень широко используют в строительном деле.
Около половины поступающего в океан углекислого газа концентрируется в виде карбоната кальция в коралловых рифах. Кораллы также являются скелетами особых полипов - придонных морских беспозвоночных организмов. Цвет коралла зависит от состава и количества включенного в него органического вещества. Меньшую роль в окраске коралла играют ионы металлов. Обычно соли железа окрашивают кораллы в красный, оранжевый и коричневый цвета, а соли марганца - в серый цвет. В последние годы из белых кораллов японские стоматологи стали изготавливать искусственные зубы. Они не окисляются и не разрушают ткани ротовой полости. Иногда белые кораллы используют в качестве заменителей кости. Коралл не отчуждается организмом и приживается лучше, чем инородные кости, металлы или пластмасса. Ноздреватая структура коралла постепенно заполняется новообразованной костной тканью и становится довольно прочной.
Трудно представить, какой была бы наша планета, если бы океаны не связывали атмосферный углекислый газ.
Одному зеленому покрову Земли невозможно было бы справиться с задачей удержания примерно на одном и том же уровне содержания CO2 в атмосфере. Подсчитано, что наземные растения для построения своего тела ежегодно потребляют из атмосферы 20 млрд т CO2, а обитатели океанов и морей извлекают из воды 155 млрд т в пересчете на CO2.
Не менее важным веществом в создании "парникового эффекта", чем CO2, является атмосферная вода. Она также перехватывает и поглощает тепловое излучение Земли. Однако в атмосфере ее гораздо больше, чем углекислого газа. Атмосферную влагу, особенно в виде облаков, иногда сравнивают с "одеялом" планеты. Многие замечали, при ясном и безоблачном небе ночи бывают холоднее, чем в облачную погоду. Согласитесь, что сравнение с одеялом довольно образное и точное.
Пресная вода. Вероятно, многие не в полной мере осознают истинное значение воды для человека. Это особенно справедливо для жителей северных районов нашей страны, где пресная вода имеется в относительном достатке. Однако то же самое нельзя сказать о жителях засушливых районов среднеазиатских республик. Там с детства человек умеет ценить и беречь воду, поскольку он знает, что без воды нет жизни. Несмотря на то что вода - самое распространенное на Земле вещество, запасы пресной воды довольно ограниченны. Они составляют около 20 тыс. км на год. При норме водоснабжения 1000 т воды в год (с учетом промышленности и сельского хозяйства) на человека этого количества может хватить на 20 млрд человек. В настоящее время население нашей планеты составляет около 6 млрд. Демографы считают, что 20 млрд оно достигнет в 2100 г. Таким образом, природной пресной воды будет явно недостаточно. С учетом того, что источники пресной воды распределены на Земле неравномерно, в некоторых странах уже сегодня ощущается острая нехватка пресной воды. Для других регионов мира при относительном достатке пресной воды возникла проблема недостатка чистой воды, поскольку водоемы оказались загрязненными промышленными отходами и бытовыми стоками. До поры до времени природа сама справлялась с задачей очистки загрязненных человеком вод. Однако с ростом промышленного производства и с концентрацией населения в городах природе стало все труднее справляться с этой задачей. В связи с этим возникла необходимость в строительстве более совершенных и более производительных, но и более дорогих очистных сооружений.
К основным потребителям пресной воды относятся: сельское хозяйство (70%), промышленность, включая энергетику (20%) и коммунальное хозяйство (~10%). В промышленном производстве наиболее водоемкими являются химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая промышленность. Так, на изготовление 1 т синтетического волокна расходуется 2500...5000, пластмассы - 500...1000, бумаги - 400...800, стали и чугуна - 160...200 м воды. Опыт показывает, что на бытовые нужды житель благоустроенного города расходует 200...300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питье расходуется всего лишь 5%, в смывном бачке туалета - 43, для ванны и душа - 34, на мытье посуды - 6, на стирку - 4, на уборку помещения - 3%.
Для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, а также вредных минеральных и органических примесей, если она прозрачна, бесцветна и не имеет привкуса и запаха. В соответствии с Государственным стандартом содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л. Кислотность воды в единицах рН должна быть в пределах 6,5...9,5. Концентрация нитратного иона не должна превышать 50 мг/л. Естественно, что она должна также отвечать бактериологическим требованиям и иметь допустимые показатели на токсичные химические соединения. Этим требованиям наиболее часто удовлетворяет колодезная и родниковая вода. Однако в больших количествах найти воду, отвечающую Государственному стандарту, трудно. Поэтому ее приходится очищать на специальных станциях. Основными стадиями очистки являются фильтрование (через слой песка) и обработка окислителями (хлором или озоном). В некоторых случаях приходится применять коагуляцию. Для этого используют сульфат алюминия Al2(SO4)3. В слабощелочной среде, создаваемой карбонатами кальция, под действием воды эта соль гидролизуется и из нее получается хлопьевидный осадок гидроксида алюминия Al(OH)3, а также сульфат кальция CaSO4 в соответствии с уравнением
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2Al(OH)3↓ + 3CaSO4↓ + 6CO2
Гидроксид алюминия Al(OH)3 вначале образуется в виде мелких коллоидных частиц, которые со временем объединяются в более крупные. Этот процесс, называют коагуляцией. При коагуляции хлопья Al(OH)3 захватывают взвешенные примеси и сорбируют на своей развитой поверхности органические и минеральные вещества.
С давних пор для стерилизации питьевой воды использовалось простое кипячение, а древние греки добавляли в воду сухое вино, что создавало кислую среду, в которой погибали многие болезнетворные микробы.
Питьевая вода должна содержать небольшие количества растворенных солей и газов. В зависимости от них в различных местах вода отличается по вкусу. Макрокомпонентами химического состава поверхностных и некоторых подземных вод считают ионы Na, K, Mg, Ca, HCO3, SO4,Cl, NO3. Ионы Fe, Fe, Al в заметных количествах содержатся только в локальных подземных водах, характеризующихся кислой средой. Кремниевая кислота H2SiO3 является преобладающим компонентом в некоторых типах грунтовых и поверхностных вод с очень малой минерализацией, а также в термальных водах. Границей между пресной и минеральной водой считается содержание минеральных химических соединений в количестве 1 г/л.
Природные воды, содержащие соли, растворенные газы, органические вещества в более высоких концентрациях, чем питьевая, называют минеральными. Некоторые из минеральных вод содержат биологически активные компоненты: CO2, H2S, некоторые соли (например, сульфаты натрия и магния), соединения мышьяка, радиоактивные элементы (например, радон) и др. Поэтому минеральные воды с давних пор использовали в качестве лечебного средства. В настоящее время минеральные воды делят на лечебные, лечебно-столовые и столовые.
Лечебные минеральные воды проявляют свое действие в одних случаях при наружном, а в других - при внутреннем применении. Конечно, воды, пригодные для внутреннего применения, иногда оказываются полезными и при наружном использовании. В качестве лечебных вод широко известны сероводородные (например, воды в районе курорта Мацеста), в качестве лечебно-столовой воды наиболее известна "Боржоми", а в качестве столовых вод - "Нарзан" и "Ессентуки №20". В различных районах нашей страны как столовые широко используют разные местные минеральные воды, например, в Санкт-Петербурге известна вода "Полюстрово". Перед разливом в бутылки столовые минеральные воды обычно дополнительно насыщают углекислым газом до концентрации 3...4%.
Дистиллированная вода, полученная конденсацией пара, практически не содержит солей и растворенных газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.
Поскольку вода является очень хорошим растворителем, в природе она всегда содержит растворенные вещества, так как не существует абсолютно нерастворимых веществ. Их количество и характер зависят от состава пород, с которыми вода находилась в контакте.
Наименьшее количество примесей и растворенных веществ содержится в дождевой воде. Однако даже она содержит растворенные газы, соли и твердые частицы. Соли, содержащиеся в дождевой воде, имеют свое происхождение из океанов и морей. Лопающиеся пузырьки на поверхности океанов выбрасывают в атмосферу довольно большое количество солей. Они захватываются потоками воздуха (особенно в штормовую погоду) и распределяются в атмосфере. Твердый остаток, который образуется при испарении дождевой воды, - это частички пыли, захваченные капельками дождя. Из 30 л дождевой воды при испарении остается примерно 1 г сухого остатка. Растворенными газами являются как основные компоненты воздуха, так и загрязнения, встречающиеся в данном районе. Состав дождевых осадков над морем согласуется с правилом, согласно которому он идентичен тому, что получается при добавлении к 1 л дистиллированной воды 1,5 мл морской воды.
Получение высокочистой воды - весьма сложная задача. Поскольку она хранится в каком-то сосуде, в ней должны быть примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследований наиболее чистую воду получают методом ректификации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.
Как уже было отмечено, основные запасы пресной воды на Земле сосредоточены в ледниках. Поскольку опреснение морской воды требует больших энергетических затрат и стоит очень дорого, разработаны проекты транспортировки айсбергов из районов Северного и Южного полюсов к месту потребления и превращения льда в пресную воду. Однако пока эти проекты не были осуществлены.
Крупными резервуарами пресной воды являются болота. По некоторым оценкам в болотах содержится воды столько же, сколько и в озерах. Существует широко распространенное мнение, что болотная вода непригодна для питья. Ее часто называют "гнилой". По-видимому, отпугивающим аргументом выступает цвет болотной воды. Однако исторические записи свидетельствуют о том, что в далеком прошлом болотной водой заправляли корабли, отправляющиеся в далекие плавания. Такая вода долго сохраняла свои питьевые качества. Считают, что причиной этого служили содержащиеся в ней фенолы, которые играли стерилизующую роль. Заметим, что сам фенол (карболовая кислота) широко используют в медицине как антисептическое средство.
Еще в глубокой древности было известно, что вода, находящаяся в контакте с металлическим серебром, приобретает целебные свойства. Древние индусы обеззараживали воду погружением в нее пластинок из металлического серебра. В русской православной церкви прихожане получают "святую" воду, которая выдерживается в серебряных сосудах. В некоторых странах существовал обычай при освящении колодцев бросать в них серебряные монеты. Поскольку эти наблюдения были сделаны разными народами и в различных частях света, должна быть объективная причина проявления особых свойств "серебряной" воды. В настоящее время существует широко распространенное мнение, что активным началом этой воды являются не атомы серебра, а ионы Ag. Есть экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эти ионы способны проникать внутрь клеток бактерий и нарушать их жизнедеятельность. Эффективность уничтожения бактерий в воде, содержащей следы ионов серебра, чрезвычайно высокая - в 1750 раз выше, чем действие карболовой кислоты. Бактерицидность "серебряной" воды сохраняется в течение многих месяцев.
Читатель может сделать правильный вывод, что пользоваться столовыми приборами, изготовленными из серебра, не только приятно, но и полезно.
Статистика, охватившая многие страны мира, показывает, что 80% всех заболеваний связано с плохим качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения. И еще одна цифра - от болезней, связанных с водой, страдает треть населения планеты, т.е. 2 млрд человек. После этих цифр так и хочется сказать: "будьте осторожны" и "берегите воду от загрязнений".
Влажность воздуха. Важной характеристикой состояния атмосферы является влажность воздуха или, что то же самое, степень насыщения воздуха водяными парами. Она выражается отношением содержания водяных паров в воздухе к их содержанию при насыщении воздуха при данной температуре. Поэтому правильнее говорить не просто о влажности, а об относительной влажности. При насыщении воздуха водяными парами вода в нем больше не испаряется. Для человека наиболее благоприятная влажность воздуха 50%. На влажность, как и на многое другое, распространяется правило: слишком много и слишком мало - одинаково нехорошо. Действительно, при повышенной влажности человек острее ощущает низкие температуры. Многие могли убедиться, что сильные морозы при низкой влажности воздуха переносятся легче, чем не столь сильные, но при высокой влажности. Дело в том, что пары воды, так же как и жидкая вода, обладают гораздо большей теплоемкостью, чем воздух. Поэтому во влажном воздухе тело отдает в окружающее пространство больше теплоты, чем в сухом. В жаркую погоду высокая влажность опять же вызывает дискомфорт. В этих условиях уменьшается испарение влаги с поверхности тела (человек потеет), а значит, тело хуже охлаждается и, следовательно, перегревается. В очень сухом воздухе тело теряет слишком много влаги и, если не удается ее восполнить, это сказывается на самочувствии человека.
Влажность воздуха влияет на сохранность вещей и изделий из различных материалов. Для музеев, картинных галерей и книгохранилищ абсолютно сухая атмосфера столь же опасна, как и переувлажненная. Поддержание необходимой концентрации водяных паров (определенной влажности) обеспечивается с помощью кондиционеров воздуха или помещением экспонатов в витрины.
Для изделий из металла рекомендуется низкая относительная влажность. Считают, что железо лучше сохраняется при 20%-ной влажности, а медь и бронза - при 30%-ной.
Наилучшая сохранность изделий из дерева достигается при 50...55%-ной влажности, т.е. в условиях наиболее комфортных для человека.
Абсолютно сухого воздуха практически не бывает. В нем всегда присутствует влага хотя бы в следовых количествах. Оказывается, что ничтожные количества воды иногда могут сильно влиять на химические свойства многих веществ. В 1913 г. английским химиком Бейкером было установлено, что жидкости, осушенные в течение девяти лет в запаянных ампулах, кипят при гораздо более высоких температурах, чем указано в справочниках. Например, бензол начинает кипеть при температуре на 26° выше обычной, а этиловый спирт - на 60, бром - на 59, а ртуть - без малого на 100°. Температура замерзания этих жидкостей повысилась. Влияние следов воды на эти физические характеристики до сих пор не нашли удовлетворительного объяснения. В настоящее время известно, что тщательно высушенные газы NH3 и HCl не образуют хлорида аммония, а сухой NH4Cl в газовой фазе не диссоциирует на NH3 и HCl при нагревании. Кислотный триоксид серы в сухих условиях не взаимодействует с основными оксидами CaO, BaO, CuO, а щелочные металлы не реагируют ни с безводной серной кислотой, ни с безводными галогенами.
В хорошо высушенном кислороде уголь, сера, фосфор горят при температуре, на много превышающей температуру их горения в неосушенном воздухе. Считают, что влага играет каталитическую роль в этих химических реакциях.
Влажность воздуха измеряют при помощи психрометра и волосяного гигрометра. Первый состоит из двух термометров. Рабочий баллон одного из них обернут батистовой тканью, смоченной водой. Влажность определяется по разности показаний сухого и смоченного термометров. При большой влажности разность температур небольшая, а при малой влажности разность температур высокая. Чем меньше влажность воздуха, тем больше испарение воды и тем сильнее охлаждение баллона этого термометра. Рабочей частью гигрометра является человеческий волос, имеющий на своей поверхности многочисленные микроскопические поры. Если волос обезжирить, то в его порах может конденсироваться вода. При увеличении влажности поры полнее заполняются водой. Это приводит к расширению пор, увеличению их объема и волос растягивается. Когда влажность воздуха уменьшается, происходит испарение влаги и волос сжимается.
Из пересыщенного водяными парами воздуха образуется туман. Он состоит из мельчайших капелек воды размером от 0,0001 до 0,1 мм. Капельки воды легче конденсируются на твердых частичках, находящихся в воздухе в виде пыли. Особенно хорошими центрами конденсации являются частицы углерода, содержащиеся в дыме. Знаменитые лондонские туманы были обязаны влажному морскому воздуху и многочисленным фабрикам и заводам, выделявшим в атмосферу много дыма. Туман иногда оказывает важную услугу сельскохозяйственным культурам, уберегая их от заморозков. Для защиты садов во время цветения от заморозков иногда создают искусственные туманы. Хлорид кальция CaCl2 обладает большой способностью притягивать влагу. Его распылением в воздухе и создают искусственные туманы.