Г.К.ЮРКОВ,
И.Н САфОНОВА
У Ч П ЕД Г И З•1962

Г. К. ЮРКОВ, И. Н. САФОНОВА
ВОДА
ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
СТАРШИХ КЛАССОВ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР
МОСКВА - 1962
Scan, DjVu:
Dmitry7

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Три физических состояния воды 4
Вода как растворитель 24
Вода в химии 40
Вода в природе 59
Круговорот воды 67
Очистка воды 72
Георгий Капитонович Юрков
Ирина Николаевна Сафонова
ВОДА
Редактор Г. С. Метелъская
Обложка художника С. Я- Ноделъмана
Художественный редактор Б. М. Кисин
Технический редактор Н. Н. Махова
Корректор Н. И. Котельникова
Сдано в набор 27/VII 1961 г. Подписано к печати
14/Х 1961 г. 84х1Г8'/аа. Печ. л. 5х/2 (4,51). Уч.-изд. л. 4,56.
Тираж 28 000 'экз. А 09448.
Учпедгиз. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Смоленск, типография имени Смирнова
Заказ № 9027. Цена 11 коп.

ВВЕДЕНИЕ
Вода принадлежит к веществам, наиболее распро-
странённым на поверхности земного шара. Нельзя на-
звать такой точки на поверхности Земли, где бы не
встречалась вода в том или ином состоянии. Количест-
во воды на поверхности Земли огромно, оно составляет
по объёму 1 370 323 тыс. /еж3. Если представить себе,
что вся вода равномерно распределена на поверхности
земного шара, то в каждой точке этой поверхности её
толщина достигала бы 3795 м.
В значительных количествах вода встречается так-
же в атмосфере и литосфере.
Во всех своих физических состояниях вода оказы-
вает решительное влияние на климат различных обла-
стей земного шара. Огромна роль воды в жизни че-
ловека, в технике и сельском хозяйстве.
Наличие воды в достаточном количестве в настоя-
щее время является необходимым фактором для рас-
ширения городов, строительства предприятий и новых
посёлков.
В древности значение воды было также велико,
поэтому с водой связано много легенд, преданий, при-
мет и суеверий, которые ещё живут и в наше время в
виде некоторых обрядов. Например, обряд освящение
воды совершался непосредственно на реке. Верующие
набирали эту воду в различные сосуды и хранили как
святую для врачевания всех болезней, хотя эта вода
и не содержала в себе ничего целебного.
В странах Западной Европы есть обычай — при
входе в храм опускать свои пальцы в воду, находящую-
ся здесь в. особых сосудах. Вот поистине подходящий
случай для переноса инфекции и образец отсутствия
брезгливости.
Позднейшее исследование показало, что большин-
ство святых источников содержит минеральные соли, и
з

поэтому исцеление от некоторых болезней — это
следствие использования воды этих источников.
Для врачебных целей теперь используются не толь-
ко природные источники, но могут быть искусственно
воспроизведены те воды, целебные действия которых
ещё недавно приписывались божественной силе.
ТРИ ФИЗИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ
Познать вещество и понять причины и способы его
использования, а также роль его в природе возможно
только в том случае, когда будут изучены его свойства
во всём их разнообразии.
Чистая вода, как и всякое соединение, обладает
суммою свойств, ей присущих. Изменяя внешние усло-
вия, действуя на воду различными веществами или
заставляя её вступать во взаимодействие с другими
веществами, мы раскрываем свойства воды.
Физические свойства воды — это такие свойства,
которые она проявляет без изменения состава. Измене-
ние температуры и давления даёт возможность опре-
делить так называемые постоянные точки: температуру
замерзания и кипения, плотность, теплоёмкость и дру-
гие свойства воды. Они зависят от характера движения
молекул, которое самопроизвольно и изменяется в свя-
зи с изменением температуры и давления.
Представим себе в обычных условиях движение
двух молекул. В зависимости от расстояния между ни-
ми могут возникать как силы притяжения, так и силы
отталкивания. Когда же возникают эти диаметрально
противоположные силы?
Если расстояние между молекулами меньше, чем
десятикратная величина диаметра молекулы, то воз-
никают силы притяжения, которые быстро возрастают
по мере сближения молекул. На расстоянии, близком к
соприкосновению, возникают еилы отталкивания, быст-
ро уменьшающиеся по мере удаления молекул. Притя-
жение между двумя молекулами прекращается, когда
расстояние между ними становится больше десяти-
кратной величины диаметра. В обычной обстановке не
встречается изолированных молекул, так как они на-
ходятся среди других, и движение каждой пары моле-
4

кул представляет огромное разнообразие потому, что
ближайшие молекулы взаимно влияют друг на друга.
Следовательно, межмолекулярные силы являются си-
лами «короткого действия». Под влиянием подогрева-
ния или охлаждения характер действия молекул друг
на друга изменяется, поэтому и возможно либо упоря-
доченное расположение молекул, как это имеет место
в кристаллах, либо менее упорядоченное — в жидко-
стях и, наконец, в парах и газах наблюдается полная
беспорядочность — хаотичность молекулярного дви-
жения.
Нарушению порядка расположения молекул способ-
ствует как изменение объёма тела, так и изменение
температуры его. При нагревании объём увеличивается,
что приводит к увеличению расстояния и уменьшению
связи между молекулами.
В этом случае нарушение порядка происходит за
счёт усиления теплового движения и увеличения рас-
стояния между молекулами. Таким образом, каждое
вещество способно проходить через бесконечное коли-
чество состояний. Однако резкий переход из одного
состояния в другое, т. е. резкое изменение характера
движения молекул, происходит только при строго
определённых условиях. Кристалл разрушается при
температуре плавления вещества, и дальнейшее на-
гревание не повысит температуру вещества вплоть до
полного перехода в жидкое состояние. То же мы мо-
жем сказать и о переходе жидкости в пар при темпе-
ратуре кипения данной жидкости.
Изменение физического состояния воды. В природе*
вода встречается в трёх состояниях, причём название
вода преимущественно относится к жидкому состоянию,
твёрдое называется льдом, газообразное — паром.
То или иное состояние воды, как и всякого другого
вещества, объясняется различным характером движе-
ния молекул и связи между ними.
При температуре от 0, и до 100° С (при нормальном
давлении) вода находится в жидком состоянии, которое
характеризуется беспорядочным движением молекул и
слабой связью между ними. Перемещение молекул
доказывается обычно броуновским движением. Каплю
воды, в которой плавают очень лёгкие частицы твёрдо-
го нерастворимого вещества, рассматривают пед микро-
5

скопом и наблюдают, что частицы беспорядочно пере-
мещаются в массе воды. Каждая такая частица
состоит из множества молекул и не обладает самопро-
извольным движением. Что же является причиной
перемещения таких частиц в воде? Очевидно, частицы
испытывают удары со стороны движущихся молекул
воды, которые заставляют их всё время менять направ-
ление движения, а это означает, что сами молекулы
воды движутся беспорядочно.
В результате движения молекулы воды могут отры-
ваться от поверхности и переходить в атмосферу в виде
отдельных молекул. Количество молекул, переходящих
в атмосферу, зависит от скорости движения молекул
воды и от той температуры, до которой нагрета вода.
В атмосферу будет переходить тем больше пара, чем
выше температура воды.
При понижении температуры жидкой воды кинети-
ческая энергия молекул уменьшается и наступает
такой момент при 0° и нормальном давлении, когда
беспорядочное движение молекул переходит в упоря-
доченное, образуя правильные кристаллы, т. е. вода пе-
реходит в лёд — твёрдое тело, характеризующееся
особыми свойствами.
Однако несмотря на то, что связь между молеку-
лами воды в кристаллическом состоянии гораздо проч-
нее, чем в жидкой воде, всё-таки с поверхности льда
отрываются молекулы воды и надо льдом всегда нахо-
дится пар, количество которого точно так же зависит
от температуры льда.
Все три состояния воды находятся между собой в
определённой связи, и переход из одного состояния в
другое определяется преимущественно изменением
внешних условий.
Рассмотрим физические состояния воды, начиная с
того, где расположение молекул наиболее упорядоче-
но, т. е. с кристаллического состояния.
Лёд
Это твёрдое кристаллическое вещество, в нём моле-
кулы воды расположены в определённом порядке; ха-
рактер движения этих молекул колебательный околй
положения равновесия.
бг

Многие свойства льда объясняются строением его
кристалла, поэтому мы и постараемся в наиболее до-
ступной форме познакомиться с этим вопросом.
Вода — вещество сложное, в состав которого входят
два атома водорода и один атом кислорода. Эти эле-
менты настолько прочно связаны между собой, что
мало заметное распадение молекулы на атомы начи-
нается при температуре окало 1000°.
На основании различных исследований установлено,
что в молекуле воды связи между атомами водорода
и атомом кислорода направле-
ны друг к другу под углом «.-"Г-^
около 109° и образуют как ,*'~ "*X%N
бы равнобедренный треуголь-
ник с атомом кислорода на
вершине (рис. 1). Такая струк-
тура молекул воды способст-
вует образованию более проч-
ных кристаллов.
При кристаллизации воды
отдельные молекулы вступают
между собой в связь и обра- рис L Схема строения
зуют как бы отдельные соче- молекулы воды,
тания, состоящие из несколь-
ких молекул. Выяснено, что
при кристаллизации возникают- группировки из
пяти молекул. Одна из них, как центральная, свя-
зывается с четырьмя другими молекулами следую-
щим образом: атом кислорода центральной моле-
кулы через посредство четырёх атомов водорода
связывается с четырьмя атомами кислорода других
молекул. Атом кислорода каждой из четырёх молекул
в дальнейшем сделается центральным и будет связан
с четырьмя атомами водорода других молекул. Если
центр каждого из четырёх атомов кислорода соединить
с центрами остальных трёх атомов кислорода, то по-
лучится четырёхгранник, каждая грань которого —
равносторонний треугольник. Такое тело называется
тетраэдром (рис. 2). Кристаллы льда и построены из
тетраэдров, в которых каждый атом кислорода связан
с четырьмя атомами водорода и каждый атом водорода
связан с двумя атомами кислорода (рис. 3). Как видно
из рисунка, структура кристалла льда ажурная, в нём
7

много пустот. Если на слой тетраэдров наложить вто-
рой такой же слой, то образуются каналы.
Под действием собственной тяжести и в особенно-
сти под влиянием дополнительного груза лёд может
изгибаться. Например, если бру-
сок льда положить на подстав-
ку так, чтобы один конец не
имел опоры, а другой был бы
хорошо закреплён, то через не-
которое время, особенно если на
свободный конец бруска поло-
жить добавочный груз, лёд про-
гнётся. Такое явление объясня-
ется тем, что происходит смеще-
ние кристаллов. В результате
Рис. 2. Тетраэдрическое изгиба форма бруска изм>енитс!я,
строение кристалла льда, но объём останется тем же, сле-
довательно, лёд пластичен.
Пластичностью льда объясняется и такое явление
в природе, как сползание ледников. Если сползание
происходит с возвышенного берега океана, то происхо-
дит образование айс-
бергов.
В отличие от боль-
шинства других ве-
ществ объём льда на
10% больше соответст-
вующего объёма во-
ды. Способность воды
при замерзании рас-
ширяться объясняется
рыхлой структурой
кристаллов и играет
огромную роль в раз-
личных природных про-
цессах. При почвооб-
разовании в результа-
те замерзания воды в Рис. 3. Схема строения
трещинах горных по- кристалла льда,
род происходит их
разрушение. Образование же льда в поверхностных
слоях почвы без достаточного снежного покрова вызы-
вает повреждение (разрыв) корневых волосков, приво-
8

дит к гибели растений. Это и является причиной вымер-
зания посевов.
Плотность (масса в единице объёма) льда должна
быть меньше плотности воды, так как его объём боль-
ше соответствующего объёма воды. Плотность льда при
нормальных условиях — 0,9168 г/смг, плотность воды —
1 или, точнее, 0,999968 г/см3. Лёд плавает на воде,
однако только приблизительно xh часть его находится
над водою, а остальная часть (большая) погружена в
воду. Поэтому айсберги при кажущейся небольшой
надводной части обладают огромным весом и боль-
шой разрушительной силой, представляя грозную опас-
ность для судов.
Лёд относится к мало теплопроводным веществам,
что наряду с его свойством располагаться на поверх-
ности воды способствует сохранению тепла подлёдной
воды, предохраняет от промерзания до дна водоёмы рек,
прудов и т. д., благодаря чему и сохраняется жизнь их
обитателей.
Для плавления льда нужно затратить большое ко-
личество теплоты, так как скрытая теплота плавления
(количество тепла, необходимое для расплавления 1 г
льда при температуре 0°) льда выше других веществ и
составляет 79,4 кал. Вот почему весеннее таяние льда
происходит медленно и спасает нас от больших поло-
водий.
Если при плавлении льда объём полученной жидко-
сти меньше, чем объём взятого льда, то можно сделать
предположение, что переход льда в жидкое состояние
будет облегчён, если лёд подвергнуть давлению, т. е.
сближению кристаллов между собою.
В самом деле, если оказать на лёд высокое давление,
то температура плавления его понижается. Так, под
давлением в 2045 атм (на 1 см2) лёд будет плавиться
при температуре — 22°. Дальнейшее повышение давле-
ния уже не снижает температуры плавления, так
как образуются новые формы льда с новыми свой-
ствами.
Теперь нам легко ответить на вопрос, почему по
зеркальной поверхности стекла нельзя кататься на
коньках, а по зеркальной поверхности льда можно?
Очевидно потому, что под давлением, оказанным че-
ловеком на лёд через полоз конька, лёд плавится и
9

образовавшаяся вода играет роль смазки, облегчаю-
щей скольжение полоза по льду.
Способностью льда таять при более низкой темпера-
туре под большим давлением объясняется и то, что у
ледников, толщина которых громадна, таяние у осно-
вания начинается раньше,
чем на поверхности.
Наконец, следует отме-
тить, что температура таю-
щего льда при нормальном
давлении принята за по-
стоянную точку термомет-
ра 0°. При нагревании льда
сначала температура его
повышается, но с момента
образования смеси воды со
льдом температура будет
оставаться неизменной до
того момента, пока не рас-
плавится весь лёд. Это объ-
ясняется тем, что тепло, подводимое к тающему льду,
прежде всего расходуется только на разрушение кри-
сталлов. Температура тающего льда остаётся неизмен-
ной до тех пор, пока не произойдёт разрушение всех
Рис. 4. Развитие снежинки.
Рис. 5* Формы снежинок.
кристаллов. Благодаря постоянству температуры тая-
ния льда легко и довольно просто установить эту точ-
ку термометра.
Кристаллы льда могут образовываться не только
при замерзании воды, но также и при переходе пара в
кристаллическое состояние, в результате чего образу-
ются снежинки.
№

При быстрой кристаллизации паров воды образуют-
ся не законченные кристаллы, а как бы начало формы.
Снежинка и является тем начальным образованием,
из которого будет формироваться кристалл. Во, время
полёта снежинка попадает в различные слои воздуха:
то с повышенным содержанием пара, то в более тёп-
лые, и её скелет начинает обрастать. Так, если на од-
ном луче образуется какой-либо выступ (рис. 4), то
он появится и на всех других лучах.
Форма снежинок весьма разнообразна, так как ус-
ловия образования их различны. Редко можно встре-
тить снежинки, похожие друг на друга (рис. 5).
Вода в жидком состоянии
Жидкость по своим свойствам занимает промежу-
точное положение между газом и твёрдым телом. По
мере повышения температуры, с усилением теплового
движения и увеличением' расстояний между молекула-
ми различие в свойствах между жидкостью и её на-
сыщенным паром всё уменьшается. С понижением тем-
пературы свойства жидкости всё время делаются менее
газоподобными и постепенно жидкость начинает при-
обретать черты сходства с твёрдым телом. Дальней-
ший процесс по мере охлаждения может закончиться
либо образованием твёрдого аморфного тела, либо
сначала появляются микроскопические кристаллики,
которые при последующем охлаждении укрупняются
до тех пор, пока вся жидкость закристаллизуется. При
кристаллизации всё время выделяется теплота — тепло-
та кристаллизации. Наоборот, при притоке тепла на-
чнётся обратный процесс, который приводит в конце
концов к тому, что все кристаллы переходят в жидкое
состояние.
Мы видим, что жидкости проявляют сходство с га-
зами при повышении температуры и с твёрдыми тела-
ми— по мере охлаждения. Установлено, что тепловое
движение в жидкостях имеет значительное сходство с
тепловым движением в кристаллах, и этим можно
объяснить, что теплоёмкости жидкости и твёрдого тела
вблизи точки плавления должны быть очень близки.
Например:
п

Теплоёмкость жидкости
кал/моль
Na 7,6
Н2 11
СН4 11
Н20 18
Теплоёмкость твёрдого
тела кал/моль
8,0
13
I 14
9
Как видим, значительное отклонение представляет во-
да, о чём мы скажем несколько позднее.
Так каков же характер теплового движения моле-
кул в жидкостях? Если движение молекул жидкости
обладает сходными чертами с движением молекул в
кристаллах, то, очевидно, между ними существует и
различие. В самом деле, колебательные движения мо-
лекул в кристалле совершаются около определённых
центров равновесия, сохраняющих свои местоположе-
ния в течение длительного времени. В жидкости моле-
кулы только некоторое время колеблются около какого-
либо одного положения равновесия, затем перескаки-
вают в соседнее положение равновесия и через
некоторое время в третье и т. д. Таким образом, моле-
кула жидкости перекочёвывает с одного места на дру-
гое, странствуя по всему объёму жидкости.
Длительность остановок молекул каждой жидкости
характеризуется определённой величиной и зависит от
температуры и давления. В связи с температурой из-
меняется и текучесть жидкости, которая возрастает с
повышением температуры.
Наконец, следует обратить внимание на различие в
молекулярной структуре жидкости и кристаллов. Рань-
ше предполагалось, что молекулы в жидкости распола-
гаются хаотично по отношению друг к другу, в кри-
сталлах же молекулы располагаются в строгом
порядке и средние расстояния между молекулами оди-
наковы. Утверждение, что в жидкости молекулы распо-
ложены хаотично, без всякого порядка, говорило бы о
том, что расстояние между всякой парой молекул мо-
жет быть любым в пределах от непосредственной
близости* до линейных размеров сосуда. Всё это разно-
образие расстояний, т. е. близких и удалённых, могло
бы в среднем встречаться одинаково часто. Однако,
12

исследования жидкостей показали, что наиболее часто
встречаются близкие расстояния между молекулами и
эти расстояния преобладают, следовательно, молеку-
лярная структура жидкостей в какой-то мере прибли-
жается к структуре кристалла.
Всё вышеизложенное позволяет прийти к выводу,
что жидкое состояние является наиболее сложным.
Жидкость от точки плавления льда до точки кипения
всё время изменяет своё состояние, а это приводит к
изменению структуры. Вода проявляет в основном все
свойства, которые присущи жидкому веществу. Однако
в свойствах воды наблюдается большое количество от-
клонений.
Плотность воды. Наибольшая плотность воды, рав-
ная единице, наблюдается при температуре+4°С (дав-
ление нормальное), а при более низкой и более высокой
температуре плотность будет немного ниже единицы,
в то время как у огромного большинства веществ плот-
ность не изменяется.
Причиной такого отклонения от нормы — это ча-
стичное разрушение кристаллов льда в результате
плавления. Рыхлая упаковка кристалла уплотняется,
так как в пустоты проникают молекулы воды.
Используя только что рассмотренную особенность
воды, можно найти причину медленного замерзания во-
ды, находящейся в каком-то замкнутом объёме — в пру-
ду, озере.
Мы часто наблюдаем, что осенью замерзает вода в
мелких лужицах, а в пруду появляется лёд у тех бе-
регов, где глубина незначительная, и только позднее
лёд покрывает всю поверхность пруда. Данное явление
объясняется тем, что вода, охлаждённая на поверхно-
сти до +4°, как наиболее плотная, будет опускаться
на дно, а на поверхность поднимется более тёплая во-
да. Поэтому температура воды в нижних слоях не
может быть выше +4°, а верхние слои начнут охлаж-
даться до более низкой температуры и уже не будут
опускаться вниз, так как плотность воды в этих слоях
будет меньше единицы,— вот тогда-то и начнётся за-
мерзание воды с поверхности, а затем слой льда посте-
пенно будет утолщаться.
Этой разницей в температурах верхних и нижних
слоев воды пользуются при работе земснарядов в зим-
13

них условиях. При помощи насосов из более глубокой
части водоёма накачивают воду в поверхностные слои,
чем предупреждают образование льда у работающего
агрегата.
Теплоёмкость воды. Количество тепла, необходимое
для нагревания 1 г данного вещества на 1° С, называ-
ется удельной теплоёмкостью. В громадном большин-
стве случаев теплоёмкость вещества в твёрдом и в рас-
плавленном состояниях почти одна и та же1.
Удельная теплоёмкость жидкой воды (1 кал) в два
раза больше теплоёмкости льда (0,5 кал). Теплоёмкость
воды вообще самая большая по сравнению с теплоём-
костью других веществ.
Так, количество тепла, необходимого для нагревания
1 г воды на ГС, достаточно, чтобы нагреть на Г
9,25 г железа, 10 3 г меди.
Теплоёмкостью воды объясняется явление различного
нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёр-
дых пород, составляющих поверхность суши, и тепло-
ёмкость 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. Вода охлаждается медленнее,
чем. твёрдые породы, поэтому вечером песок холоднее,
чем вода.
Как известно, 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 проис-
ходит перемещение воздуха в -направлении, определяе-
мом разницей температур воды морей и океанов и
прилегающей к ним суши. Вода поглощает огромное
количество теплоты, которую она отдаёт медленно, что
и оказывает большое влияние на климат нашей пла-
неты.
Большой теплоёмкостью воды пользуются и в тех-
нике для передачи теплоты от одного тела другому.
Так, широко распространено водяное отопление. Суть
его заключается в следующем: горячая вода подаётся
по металлическим трубам, протекает по батареям, на-
1 См. стр. 12.
14

гревает их, и так как теплопроводность металла боль-
ше, чем воды, то он сравнительно быстро отдаёт тепло
окружающему воздуху.
В других случаях вода служит для охлаждения.
Если через трубы, находящиеся в среде с высокой
температурой, пропускать холодную воду, то тепла от
трубы будет передаваться воде, и, так как теплоём-
кость её велика, она и при медленном передвижении
будет поглощать большое количество тепла.
Поверхностный слой воды. Для понимания некото-
рых явлений природы и техники большое значение
имеют закономерности,, связанные с состоянием по-
верхностного слоя.
Рассмотрим, в чём заключается разница между всей
массой воды и её поверхностью.
Представим себе, что молекула воды, образующая
вместе с другими молекулами пар, находится на неко-
тором расстоянии от поверхности жидкости. Она не
будет испытывать со стороны жидкости притяжения,
так как располагается вне сферы действия сил меж-
молекулярного сцепления, которые, как известно, очень
быстро убывают с расстоянием. Если же эта молекула
значительно приблизится к поверхности жидкости, то
благодаря силе притяжения она будет втянута в жид-
кость.
Внутри жидкости сила притяжения быстро падает,
так как втянутая молекула попадает в сферу действия
окружающих её молекул.
Из ряда опытов установлено, что поверхность жид-
кости сокращается так, как будто поверхностный слой
является плёнкой с постоянным натяжением. Следует
подчеркнуть, что в действительности никакой плёнки
на поверхности жидкости нет, хотя поверхностный слой
жидкости и обладает рядом особенностей.
Толщина поверхностного слоя около 10~7 см.
Благодаря наличию поверхностного слоя при отсут-
ствии внешних сил поверхность жидкости будет сокра-
щаться и жидкость примет форму с минимальной
поверхностью, возможной при данных условиях.
Если нанести на стеклянную пластинку капли рту-
ти, а на парафиновую — капли воды, то очень малень-
кие капельки будут иметь форму шара, а более круп-
ные окажутся слегка сплюснутыми ,под действием силы
15

тяжести (рис. 6). Подобное явление объясняется тем,
что между ртутью и стеклом, а также между парафи-
ном и водой возникают силы притяжения меньшие,
чем между самими молекулами.
При соприкосновении воды с чистым стеклом, а
ртути с металлической пластинкой мы наблюдаем поч-
ти равномерное распределение того и другого вещества
на пластинках, так как силы притяжения между стек-
лом и молекулами воды, металлом и молекулами ртути
больше, чем притяжение
Пипетка между отдельными мо-
лекулами воды и ртути.
Такое явление, когда
жидкость равномерно
располагается на поверх-
ности твёрдого тела, на-
зывается смачиванием.
Значит, вода смачивает
чистое стекло, но не сма-
чивает парафин.
Смачивание играет
большую роль в природе,
в обыденной жизни и тех-
нике. Так, когда мы об-
макиваем перо в чернила, то часть их мы уносим на
пере, т. е. чернила смачивают перо.
Смачиваемость в частном случае может показать
степень загрязнённости поверхности. Например, на чи-
сто вымытой тарелке (фарфоровой, фаянсовой) вода
растекается ровным слоем, в чисто вымытой колбе
стенки равномерно покрываются водой, если же вода
на поверхности принимает форму капель, то это ука-
зывает, что поверхность посуды покрыта тонким слоем
вещества, которое не смачивает вода, чаще всего жи-
ром.
Важное значение явление смачивания имеет в тех-
нике, так как на нём основан процесс обогащения
руд — флотация. Флотация — значит вспенивание.
При добывании руд мы часто имеем дело либо с
бедными рудами, т. е. содержащими незначительное
количество ценных веществ, либо с рудами, сравни-
тельно богатыми нужным нам веществом, но содержа-
щими в качестве примесей в небольшом количестве не
Парафин
а 5
Рис. 6. Капли жидкостей на
поверхностях твёрдых тел.
16

менее, а может быть и более ценные вещества, отде-
лить которые затруднительно. Бедные руды не выгодны
для переработки, поэтому их обогащают, в частности,
при помощи флотации.
Руды, подлежащие обогащению, измельчают (раз-
мер зёрен 0,1—0,001 мм) у взбалтывают в воде, куда
добавляют такие вещества (флотореагенты), которые
смачивают зёрна ценного вещества, делая их несмачи-
ваемыми водой, а затем продувают через эту смесь
воздух. Кроме того, добавляются вещества, которые
т V Аъ * At *о Уi4 -^> H
Рис. 7. Схема флотации.
способны делать пузырьки воздуха устойчивыми. В ре-
зультате такого перемешивания к несмачиваемым во-
дой частицам прилипают пузырьки газа и вместе с ча-
стицами в виде пены всплывают на поверхность.
Существо процесса заключается в там, что у сма-
чиваемой поверхности частицы молекулы воды, взаи-
модействуя с поверхностью твёрдого тела, оттесняют
молекулы газа, в силу чего поверхность частицы со-
прикасается с газом в пузырьках (рис. 7).
Схематично процесс можно представить так: пузы-
рёк газа (А) может встретиться со смачиваемой (а) и
несмачиваемой (б) частицами (положение 1 и 2). Мо-
лекулы воды на смачиваемой частице оттесняют пузы,-
рёк (3), а к несмачиваемой частице прилипает пузырёк
газа, и она как бы внедряется в него, а смачиваемая
отталкивается от пузырька (4),
Характеристика газообразного состояния
Распределение молекул в газах — образец совершен-
ного беспорядка во взаимном расположении и переме-
щении частиц.
2 Вода
17

Каково же движение молекул?
Каждая молекула газа находится в состоянии непре-
рывного движения. Проследим движение молекулы в
разрежённом газе. Предположим, что молекула дви-
жется куда-то влево. Если не встречается препятствия,
то она двигалась бы равномерно и прямолинейно, но на
пути встречаются другие молекулы, столкновение с ко-
торыми либо замедляет движение, либо изменяет на-
правление, либо, наконец, может ускорять движение
•нашей молекулы.
Если газ, заключённый в какой-нибудь сосуд, не
подвергается ни нагреванию, ни сжатию, то энергия его
остаётся неизменной. Неизменность энергии при по-
стоянном перемещении молекул объясняется тем, что
если одна молекула при встрече с другой замедлила
своё движение, то вторая ускорила его. Следовательно,
относительное количество медленных, средних и быст-
рых по скорости молекул в данных условиях постоянно.
Оказалось возможным подсчитать число молекул в
единице объёма, обладающих теми или иными скоростя-
ми. Было установлено, что больше всего молекул дви-
жется со средней скоростью. Значение средней скорости
молекул в каждое мгновение постоянно. Так, например,
при температуре +15° наиболее вероятная скорость
молекул азота (N2) равна 500 м/сек. Со скоростями от
300 до 700 м/сек движется 59%, с малой скоростью —
до 100 м/сек движется лишь 0,6%, со скоростями же
в 1000 м/сек в газе содержится всего лишь 5,4% мо-
лекул.
Различают газы и пары. Парами называют такие
газообразные вещества, которые при обычных атмос-
ферных условиях могут сосуществовать одновременно
с жидкостью, из которой они образовались, и сравни-
тельно легко переходить в жидкое состояние.
Газы — это более стойкие газообразные вещества,
перевод которых в жидкое состояние может быть осу-
ществлён при создании особых условий — давления и
температуры, характерных для каждого газа (водород,
азот и т. д.).
Водяной пар. Это третье агрегатное состояние воды.
Пар может образовываться как над поверхностью во-
ды — испарение и кипение, так и над поверхностью
льда.
18

Испарение воды может происходить при любой тем-
пературе ( в пределах 100° С) при обычном давлении и
при более высокой температуре под давлением выше
атмосферного.
Если мы представим себе, что вода находится в
изолированном от внешней среды объёме, то испарение
будет происходить только до определённого предела,
количество паров над водой не может быть увеличено
или уменьшено без изменения внешних условий. Пар и
вода находятся между собою в состоянии подвижного
равновесия. Такое состояние пара называется насы-
щающим данный объём.
Количество насыщающих паров для данных условий
выражается в миллиграммах на литр, или в граммах
на 1 ж3 воздуха, а также миллиметрах ртутного столба.
Для примера приведём несколько чисел:
Температура в С°
-10°
0°
10°
50е
100°
Давление паров
в мм рт. cm
2,149
4,579
9,209
92,51
760,00
Процесс испарения объясняется тем, что среди мо-
лекул воды всегда есть такие, которые обладают боль-
шей кинетической энергией, чем основная масса моле-
кул, и поэтому они отрываются от поверхности воды.
Количество молекул, переходящих во внешнюю среду,
зависит от температуры воды и характера поверхност-
ного слоя.
Выше мы рассмотрели образование насыщающего
пара в замкнутом пространстве. Если же испарение
происходит во внешнее пространство, то перемещение
массы воздуха нарушает насыщенность парами у по-
верхности воды.
Равновесие смещается в сторону большего испа-
рения.
Количество водяных паров (в мм), находящихся
в воздухе, называется абсолютной влажностью.
2*
19

В технике чаще пользуются отношением абсолютной
влажности (в мм) к насыщающим парам при данной
температуре (в мм),
Такое отношение, выраженное в процентах, называ-
ется относительной влажностью. Например, абсолютная
влажность при +10° — 7,2 мм, насыщенные пары при
этой температуре — 9,2 мм, отсюда относительная
влажность равна 7,2:9,2 = 0,78 или 78%. Температура
насыщенного пара равна температуре жидкости. Дав-
ление насыщенного пара — наибольшее давление, ко-
торое он может иметь при данной температуре. Как из-
вестно, давление газа при данной температуре можно
изменить путём изменения объёма, в котором заклю-
чается газ.
Изменить же давление насыщенного пара при дан-
ной температуре и при условии соприкосновения с во-
дой невозможно.
Давление насыщенного пара можно изменить, если
он не находится в соприкосновении с водой, и только
до того предела, пока не начнёт образовываться жидкая
вода.
Во время испарения вода поглощает большое ко-
личество тепла (скрытая теплота испарения — 586 каы
при 20°).
С поверхности земного шара испаряется огромное
количество воды. Так, с океанов у экватора испаряется
слой в 3—4 мм в сутки, с океанов в умеренных широ-
тах слой в 1—2 мм в сутки, с океанов в высоких широ-
тах слой в 1 мм в сутки. В год.в среднем испаряется
около 518,6 тыс. км3 воды. Для нагревания такого ко-
личества воды .нужно израсходовать 3 • 1023 кал, на что
требуется почти 25% всей энергии солнца, поглощаемой
поверхностью Земли.
Пары воды, перемещаясь из тёплых мест земного
шара в более холодные, начинают конденсироваться в
жидкость, и тогда происходит выделение того тепла,
которое накопил пар во время своего образования.
Выделенное тепло нагревает воздух, Землю.
Пары воды в атмосфере, окружающей земной шар,
защищают Землю от большого излучения тепла в миро-
вое пространство и в то же время предохраняют Землю
от перегрева её лучами солнца. Таким образом, вода и
её пары влияют на образование климат.
20

Вторым процессом, в результате которого происхо-
дит парообразование, является кипение. Кипение заклю-
чается в том, что пузыри пара образуются внутри ки-
пящей жидкости.
При нормальном давлении чистая вода кипит при
100° С, а так как подводимое при этом тепло расходу-
ется только на переход воды в пар, то температура па-
ров кипящей воды будет постоянна, пока есть жидкая
вода. В случае подведения тепла через свободную по-
верхность будет ускоряться процесс поверхностного
испарения, но объёмного парообразования, характерно-
го для кипения, не возникает.
Кипение может быть осуществлено и понижением
внешнего давления, так как в этом случае давление
пара, равное внешнему давлению, достигается при бо-
лее низкой температуре.
При достаточно высоком давлении воду можно на-
греть настолько, что в ней может расплавиться свинец
(327° С), и всё же она не будет кипеть.
Обратный процесс — конденсацию — можно рассмат-
ривать как встречу между собой молекул воды. Если в
момент столкновения молекулы не потеряют значитель-
ной части взаимной энергии, то они разойдутся, испытав
«упругий удар». Если же присутствуют при этом пы-
линки или пузырьки воды, то они принимают на себя
энергию объединения молекул. Действие пылинок осо-
бенно усилится, если последние будут электрически
заряженными. Способность пара скорее конденсировать
в присутствии загрязнённых частиц использована в ка-
мере Вильсона, которая служит для обнаружения пути
перемещения заряженной частицы (альфа-частицы).
Суть действия камеры заключается в том, что в за-
крытой коробке находятся насыщающие пары воды.
Альфа-частицы радиоактивного вещества, пролетая
с большой энергией, ионизируют на своём пути воздух,
и около образовавшихся заряженных частиц (ионов)
начинают конденсироваться пары, образуя туманный
след (трек), показывающий направление движения
альфа-частицы (рис. 8).
Пары воды находят большое применение как пере-
носчик тепла для нагревания других тел (рис. 9). В со-
суд, где происходит нагревание какой-либо жидкости,
в частности воды или раствора, по змеевику проходит
21

пар, который отдаёт своё тепло через стенки змеевика
обогреваемой жидкости, в результате чего вода нагре-
вается до нужной температуры. Пар применяется в
Рис. 8. Пути а-частиц, наблюдаемые в камере Вильсона.
технике и как рабочее тело. Объём получаемого пара
в 1650 раз больше соответственного объёма воды (на-
пример, при переводе 1 см3 воды в пар образуется
Рис. 9. Схема теплообменника.
1,650 л пара). Если образование пара происходит в за-
крытом сосуде, то он создаёт высокое давление, при-
обретает запас потенциальной энергии, которая при
Ш

сцижении давления переходит в кинетическую, могущую
производить ту или иную работу.
В современной технике используют давление пара
170—180 атм при температуре перегрева 550°. В даль-
нейшем намечено использование пара давлением
300 атм при температуре перегрева 650°.
Расчётами и практикой установлено, что получение
пара высокого давления и высокой температуры гораз-
до экономичнее. Так, переход с пара давлением 35 атм
на пар в 100 атм даёт экономию топлива в 12—15%.
Теплосодержание пора
1am 30am 60am ЮОат 150am 200am 225t65am
ЩТеплото жидкости 6 ккал ЩЩГеплото испарения бккол
Рис. 10. Зависимость теплоты жидкости, теплоты
испарения и теплосодержания насыщенного пара
от давления.
Что же представляет собой перегретый пар?
Превращение воды в пар требует затраты теплоты.
Количество затрачиваемой теплоты зависит от давле-
ния. Количество теплоты, необходимое для превраще-
ния 1 кг воды с температурой 0° С в пар, называется
теплосодержанием.
Теплосодержание насыщенного пара складывается
из теплоты жидкости (количества тепла, необходимого
для подогрева воды от 0° до температуры кипения, со-
ответствующей данному давлению) и скрытой теплоты
23

парообразования. Теплота жидкости сначала быстро
повышается по мере повышения давления, потом, начи-
ная с 30 атм, это повышение идёт медленнее (рис. 10).
Теплота испарения при увеличении давления уменьша-
ется потому, что нагретая жидкость несколько расши-
ряется и связь между молекулами ослабевает. Таким
образом, для получения пара очень высокого давления
требуется меньше теплоты, а следовательно, и меньше
топлива.
Давление пара — 225,65 атм, соответствующее тем-
пературе насыщенного пара 374,15°, и состояние пара
при этом давлении и температуре называется критиче-
ским.
В критическом состоянии вес 1 ж3 воды и вес такого
же объёма пара равны между собой и составляет
323 кг.
В данном случае нет воды, как таковой, и нет пара,
а имеется особое однородное тело, имеющее свои фи-
зические свойства.
Можно ещё повысить теплосодержание насыщенного
пара и его работоспособность при помощи перегрева
пара. Для этого насыщенный пар пропускают по тру-
бам, обогреваемым снаружи горячими газами. Пере-
гретый пар при соприкосновении с холодными стенками
трубопровода охлаждается, но не конденсируется. Кро-
ме использования водяного пара в паровых машинах и
турбинах, он находит широкое применение в самых раз-
нообразных отраслях промышленности: текстильной,
химической, сахарной и т. д.
ВОДА КАК РАСТВОРИТЕЛЬ
Химически чистое вещество обладает постоянными
свойствами, зависящими только от его состава.
Всякая наука нуждается в определении постоянных
величин, с которыми можно сравнивать результаты
опытов, производимых в любой области, и в частности
химии и физике. Так, для характеристики любого ве-
щества необходимо знать его температуру кипения и
плавления, удельный вес и целый ряд других значений.
Свойства чистых веществ являются теми постоян-
ными, пользуясь которыми можно вскрыть законы из-
24

менения физических свойств вещества в зависимости
от состава, температуры и давления.
В предыдущей главе мы рассмотрели некоторые фи-
зические свойства воды. Для установления точки кипе-
ния и плавления, для определения единицы веса и ряда
других величин была взята чистая вода.
В чистой воде нуждается и техника. Так, например,
котлы электростанции, работающие с паром более вы-
сокой температуры и давления, нуждаются в воде, со-
держащей минимальное количество примесей.
Разработка наиболее экономичных методов очистки,
дающих воду, которая не оставляет накипи в паровых
котлах и трубопроводах, является очень важной тех-
нической задачей, о которой мы подробнее скажем
позднее.
Откуда же появляются примеси в природной воде?
Как известно, природная вода и даже наиболее чи-
стая, дождевая вода соприкасаются с различными ве-
ществами, в результате чего образуются либо взвеси,
либо растворы.
Под растворами мы понимаем однородную жидкость,
в которой равномерно распределено раздроблённое до
молекул и даже до ионов другое вещество.
Все природные воды являются растворами. В нашей
практической жизни мы широко используем растворы
для различных целей.
Ещё алхимики утверждали, что вещества не взаимо-
действуют, если они не находятся в растворённом со-
стоянии. Поэтому очень важно познакомиться с сущ-
ностью тех изменений, которые претерпевают как раство-
ряемые вещества при переходе в раствор, так и раство-
ритель— вода.
Растворение веществ — это процесс распада раство-
ряемого вещества в первую очередь на молекулы и
распределение их среди молекул растворителя. Способ-
ность растворяться зависит не только от природы ве-
щества, но и от физического состояния его, так как ха-
рактер связи между молекулами весьма различен у
одного и того же вещества в разных физических со-
стояниях.
Мы рассмотрим растворимость веществ, взятых во
всех трёх физических состояниях. Начнём с растворения
газообразных веществ.
25

Растворение газообразных веществ
Всем известно, что стакан, наполненный холодной
водой и оставленный в тёплой комнате, покрывается
внутри пузырьками газа. Вероятно, многие обращали
внимание на то, что при нагревании водопроводной во-
ды в колбе образуются пузырьки газа, отрывающиеся
от дна и стенок колбы как в начале нагревания, так и
во время кипения. В этом случае растворённый газ об-
разует маленькие пузырьки, наполняющиеся парами
воды, давление которых превысило внешнее атмосфер-
ное давление, и пузырёк газа вырывается на поверх-
ность, где и лопается, освобождая пары воды.
Оба рассмотренных примера показывают, что в воде
находился в растворе газ, который при нагревании вы-
делялся из раствора и переходил в окружающую ат-
мосферу.
Если мы выделим из природной воды весь раство-
рённый в ней газ и произведём его анализ, то окажет-
ся, что в воде растворён воздух, но состав его несколь-
ко отличается от состава атмосферного воздуха.
В чём же заключается стличие воздуха, раство-
рённого в воде, от воздуха внешней атмосферы? Глав-
ным образом это отличие состбит в количественных
отношениях между кислородом и азотом. В атмосфере
кислород и азот находятся в соотношении 1 :4, т. е.
около 20% по объёму приходится на дол,ю кислорода.
В воздухе, растворённом в воде, аналогично — 1:2,
т. е. около 33% кислорода по объёму. Мы видим здесь
резкое отличие в соотношении составных частей, и это
соотношение имеет огромное практическое значение, как
положительное, так и отрицательное.
Многие животные и растительные организмы дышат
растворённым в воде кислородом, и благодаря нали-
чию его в большем количестве, чем в воздухе, возмож-
ны достаточно интенсивные жизненные процессы.
Отрицательная роль кислорода заключается в том,
что при использовании природных вод для питания
паровых котлов кислород способствует коррозии — раз-
рушению металла, поэтому приходится принимать меры
к обескислороживанию природной воды.
Чем объясняется, что растворённый в воде воздух
резко отличается по составу от атмосферного воздуха?
26

Количество растворённого вещества в определённом
количестве воды зависит в первую очередь от свойств
растворимого вещества. В этом отношении каждое ве-
щество характеризуется коэффициентом растворимости,
т. е. количеством вещества, способным дать насыщен-
ный раствор в 100 г воды при данных условиях. Коэф-
фициент растворимости — величина постоянная только
для данных условий и может меняться при изменении
условий. Вот почему в справочниках всегда указывают
температуру, при которой данная величина определена.
Если мы имеем не чистое вещество, а смесь веществ,
то каждое вещество, как правило, растворяется незави-
симо от присутствия другого вещества.
Воздух — смесь газов, которая характеризуется на-
личием преимущественно азота и кислорода (4:1),
равномерно распределённых между собой. Соприкаса-
ясь с водой, каждый газ смеси растворяется в соот-
ветствии со своими свойствами и в количествах, опре-
деляемых его коэффициентом растворимости.
Так, если взять чистый азот, то при нормальных ус-
ловиях в 100 г воды его растворится около 2 мг, а
кислорода при тех же условиях — около 4 мг. Другими
словами, коэффициент растворимости при взятых усло-
виях азота — 2 мг, кислорода — 4 мг.
Чем же объясняется, что соотношение азота и кис-
лорода в растворе (2:1) не согласуется ни с соотноше-
нием азота и кислорода (4:1) в воздухе, ни с коэффи-
циентами растворимости азота и кислорода (2:4), хотя
мы и утверждали выше, что растворимость каждого
вещества в смеси не зависит от растворимости других
веществ?
Дело заключается в том, что коэффициент раствори-
мости определяется исходя из того, что давление каж-
дого газа в отдельности равно атмосферному, в дейст-
вительности же в атмосферном воздухе давление каж-
дого газа меньше атмосферного и зависит от
относительного количества его.
Давление газа — это совокупность тех сил, с какими
каждая молекула действует на стенку сосуда, в кото-
ром заключено данное количество газа. Чем больше
молекул и чем выше скорость их движения, тем чаще
молекулы ударяются о стенки сосуда, увеличивая дав-
ление газа.
27

Возьмём наполненный воздухом и закрытый со всех
сторон сосуд. Давление воздуха в нём равно одной ат-
мосфере. Если мы удалим оттуда кислород и оставим
только азот, то давление его в сосуде станет равным
4s атм, если же, наоборот, удалим азот, то давление
оставшегося кислорода составит примерно l/s атм.
В первом случае мы удалили l/s молекул и соответст-
венным образом уменьшилось количество ударов, а сле-
довательно, и давления до 4/s атм. Во втором случае
мы удалили Чь всех молекул и давление уменьшилось
до 7б атм. Следовательно, при растворении воздуха оба
газа находятся при одинаковых температурных усло-
виях, но отличаются давлением, которое создаёт каж-
дый из них. Теперь, зная коэффициент растворимости
их при данной температуре, мы можем найти отно-
шение между азотом и кислородом, растворённых
в воде.
Растворимость азота — 2 см3, давление — 4/s атм,
количество растворённого азота пропорционально дав-
лению, следовательно, растворится 2 сж3-4/5=8/б см3.
Растворимость кислорода — 4 см3, давление —
7б атм, количество рассчитывается аналогично расчёту
для азота, следовательно, растворится в воде
4 см3 - 7б = 4/5 см3.
Отношение между газами в растворе 8/s: 4/s или
2:1, т. е. кислород составит одну треть объёма или
немного больше 30%.
Растворимость газа в растворах других веществ не-
сколько уменьшается.
Наши расчёты находятся в полном соответствии с
опытными данными по составу растворённого в воде
воздуха и подтверждают, что растворимость газа про-
порциональна давлению газа, если он чистый, или той
доли давления, которую он составляет в смеси. В при-
роде известно много случаев растворения газов.
Так, в некоторых случаях из недр земли вытекают
на поверхность воды с богатым содержанием углекис-
лого газа. Если содержание его будет больше 1 г на
литр воды, как это имеет место, например, в районе
Кисловодска на Кавказе, то такая вода относится к
лечебным минеральным водам. Кроме минеральных
вод, содержащих в растворе углекислый газ, на Кавка-
зе, в районе Сочи, встречаются источники, в воде кото-
28

рых находится сероводород в различных количествах
(до 100 мг/л).
Указанные воды, кроме газов, могут содержать в
растворе другие вещества, однако лечебные их свойства
определяются главным образам газообразной состав-
ляющей.
Эти воды применяются преимущественно для на-
ружного воздействия на организм через кожный покров
во время приёма соответствующих ванн.
Образование минеральных вод представляет слож-
ный процесс. Поверхностные воды попадают в недра
земли и в результате сложных химических процессов,
имеющих место в горных породах, под большим давле-
нием насыщаются как минеральными солями, так и га-
зами. Выходя на поверхность земли, часть растворён-
ных газов теряется благодаря снижению давления.
В быту часто пользуются способностью углекислого
газа больше растворяться в воде под давлением, напри-
мер при изготовлении шипучих напитков. В этом случае
воду насыщают углекислым газом под давлением 1,5—
3 атм. Иногда очищают другие газы от примеси угле-
кислого газа, пропуская их через толстые слои воды
под значительным давлением.
Растворимость газов понижается при повышении
температуры, и этим пользуются для освобождения
воды от ненужных примесей.
Некоторые газы могут удаляться из раствора без
особого нагревания, но при условии, что раствор их
каким-либо образом сообщается с наружной атмосфе-
рой. Например, нашатырный спирт — это раствор газа
аммиака в воде. Наличие аммиака в воде можно опре-
делить по специфическому запаху. При стоянии этого
раствора в неплотно закрытом сосуде аммиак довольно
быстро улетучивается в окружающий воздух.
По той же причине нельзя держать в открытых со:
судах концентрированную соляную и азотную кислоты,
растворы сернистого газа, хлора и т. п.
Растворение твёрдых веществ
Наиболее широко распространены в природе, техни-
ке и лабораторной практике водные растворы твёрдых
веществ. Растворимость твёрдых веществ в воде очень,
29

разнообразна по своему количественному выражению,
что является особым свойством каждого отдельного
вещества.
Можно утверждать, что абсолютно нерастворимых
веществ нет. Из истории химии известно, что до того,
как был установлен состав воды, химики утверждали,
что воду путём длительного нагревания можно переве-
сти в «землю»—твёрдое вещество. Лавуазье экспери-
ментально доказал, что в результате длительного ки-
пячения воды в стеклянном сосуде и последующего вы-
паривания остатка воды на дне остаётся твёрдый
осадок перешедшего в раствор стекла. Следовательно,
даже стекло при длительном соприкосновении с водой
и в особенности при нагревании переходит в раствор,
хотя и в незначительном количестве.
Известно, что чистое серебро в какой-то мере раство-
ряется в воде. Выпарить серебро из раствора и по-
лучить его в заметном количестве трудно. Наличие
серебра в растворе установлено тем фактом, что в «се-
ребряной воде» не могут жить бактерии, так как раство-
рённое серебро убивает их.
Так как в растворе молекулы растворённого вещест-
ва распределены между молекулами растворителя, то и
самый процесс растворения можно объяснить с точки
зрения атомно-молекулярной теории.
В качестве примера можно рассмотреть растворение
в воде сахара. Кристаллы сахара, попадая в воду,
распадаются под действием молекул воды на молекулы,
которые постепенно распределяются между молекулами
воды. Молекулы сахара, обладая самопроизвольным
движением, могут перемещаться во всех направлениях.
Однако молекулы сахара могут сталкиваться как с
собственными молекулами, так и с молекулами воды,
что и создаёт хаотичность движения, в результате чего
возможно возвращение некоторых молекул обратно к
кристаллу. Как правило, распределение молекул раство-
ряемого вещества между молекулами воды (диффузия)
происходит очень медленно.
В лабораторной практике и в технике существуют
различные приёмы, с помощью которых можно уско-
рить растворение.
Все эти приёмы в основном сводятся к предва-
рительному измельчению, взбалтыванию, нагреванию
30

с одновременным механическим перемешиванием. В пер-
вый момент в месте соприкосновения растворяемого
вещества с водой образуется насыщенный раствор, ко-
торый характеризуется состоянием подвижного равно-
весия, когда количество оторвавшихся от поверхности
растворяемого вещества молекул будет равно количест-
ву снова вернувшихся на его поверхность за один и тот
же промежуток времени. Следовательно, для дальней-
шего растворения необходимо нарушить создавшееся
равновесие. Оно нарушается и без постороннего вме-
шательства путём диффузии, но это происходит очень
медленно.
Предварительное измельчение ускоряет образова-
ние на дне сосуда насыщенного раствора. Для даль-
нейшего ускорения растворения надо провести переме-
шивание, что осуществляется механически, в лабора-
тории— используя стеклянную палочку, а в технике —
специальными приспособлениями — мешалками. При
перемешивании растворяемое вещество соприкасается
с новыми порциями растворителя и равновесие сме-
щается в сторону отрыва молекул от кристалла. Для
ускорения растворения приготавливаемый раствор на-
гревают, в результате чего более лёгкие нагретые слои
жидкости поднимаются со дна сосуда и производят
перемешивание раствора и, кроме того, нагревание
способствует ускорению движения молекул. Однако
этот второй фактор имеет меньшее значение.
Нагревание не только ускоряет растворение, но и
увеличивает растворимость вещества. Для приготовле-
ния заданного количества раствора, содержащего опре-
делённое количество вещества, следует растворять
заранее отвешенное количество растворяемого вещества
в заранее отмеренном количестве растворителя. Само
растворение надо производить без нагревания, так как
в результате нагревания испаряется часть воды, а
следовательно, нарушается соотношение между раство-
ром и растворённым веществом.
При растворении сахара и некоторых других ве-
ществ не обнаруживается заметного взаимодействия
молекул сахара с молекулами воды. Очевидно, это
происходит потому, что силы притяжения между моле-
кулами растворённого вещества равны притяжению
между молекулами воды,
31

В тех случаях, когда притяжение между молекула-
ми растворяемого вещества меньше, чем между моле-
кулами воды, то распад растворяемого вещества идёт
не только до молекул, но и до частей молекул (ионов),
которые вступают в связь с молекулами боды. В ре-
зультате возникновения таких связей образуются но-
вые частицы. Подобное растворение сопровождается вы-
делением тепла, что подтверждает наличие химического
процесса.
Действительно, при растворении частицы молекул-
ионы соединяются с молекулами воды, происходит
гидратация ионов. В громадном большинстве случаев
эти гидротированные ионы могут существовать только
в растворе.
После выпаривания воды образуется исходное ве-
щество, молекулы которого либо совершенно не связа-
ны с молекулами воды, либо содержат строго опреде-
лённое количество молекул воды (кристаллогидраты).
Рассмотренный случай относится преимущественно к
таким веществам, как соли, кислоты, щёлочи.
Количество теплоты, выделяющейся при растворе-
нии, так называемая теплота гидратации, может быть
измерено при помощи калориметра. При растворении
происходят два процесса: отщепление молекул, сопро-
вождающееся поглощением теплоты, и гидратация
ионов, в результате которой выделяется теплота. Раство-
рение будет сопровождаться понижением температу-
ры раствора тогда, когда количество теплоты, выде-
лившейся в результате реакции, меньше количества
теплоты, поглощённой при расщеплении на моле-
кулы.
Конечно, могут быть случаи, когда совершенно не
обнаруживается изменение температуры при растворе-
нии некоторых веществ. Таким образом, растворение,
так же как и химические реакции, сопровождается
поглощением и выделением тепла. Однако между эти-
ми процессами существует глубокое различие. Химиче-
ская реакция происходит между веществами в строго
определённых весовых отношениях, и состав любого
вещества постоянен. При растворении, например, в
100 г веды может быть растворено от доли грамма до
36 г поваренной соли, т. е. до момента образования
насыщенного раствора.
32

Всё вышеизложенное даёт основание рассматривать
растворение как очень сложный процесс.
При обсуждении вопроса о природе растворов вы-
явились таким образом две точки зрения: физическая
и химическая.
Согласно первой раствор — это простая механиче-
ская смесь частиц растворённого вещества и раствори-
теля.
Защитником физической точки зрения был М.В.Ло-
моносов, который, опираясь на свою молекулярно-
кинетическую теорию, резко противопоставлял раство-
рение, как физический процесс, химической реакции по
признаку выделения или поглощения тепла. Он прово-
дил аналогию между растворением, испарением и
химической реакцией как процессами, сопровождаю-
щимися поглощением или выделением теплоты.
Такое отличие растворов от химических реакций
существовало вплоть до выдвижения Д. И. Менделее-
вым химической теории растворов. В основу химиче-
ской теории растворов Д. И. Менделеева легли его
обширные и исключительно точные исследования
удельного веса растворов.
Д. И. Менделеев указывал, что образование раство-
ров может рассматриваться с двух сторон: физической
и химической, и в растворах виднее, чем где-либо,
насколько эти стороны сближены между собой. Далее
Менделеев указывает, что другая сторона растворения
чисто химическая, так как растворение происходит не
с каждой парой тел, а требует, по-видимому, наличия
между ними химического сродства. Однако проявление
сходства между растворителем и растворяемым вещест-
вом настолько мало, что получающиеся вещества рас-
падаются уже при обыкновенной температуре, образуя
однородную систему, в которой как соединение, так и
продукты, на которые она распадается, находятся в
жидком состоянии.
С течением времени взгляд Д. И. Менделеева на
растворы всё больше приобретал сторонников, и в
настоящее время его. можно считать общепризнан-
ным.
Таким образом, растворы представляют сложную
физико-химическую систему и должны обладать иными
свойствами, чем каждое составляющее его вещество.
3 Вода
33

Какими же особыми свойствами обладают рас-
творы?
Водные растворы обладают иным удельным весом,
чем вода. Удельный вес изменяется от концентрации
раствора. Так, удельный вес растворов, кислот и ще-
лочей настолько связан с концентрацией раствора, что
для определения последней пользуются ареометром
и заранее составленными таблицами. Ареометром опре-
деляют удельный вес раствора и по таблице находят
концентрацию. Таблицы составляются для определён-
ной, указываемой в них температуры. Этот способ до-
статочно точен для технических целей.
Изменяется и температура замерзания раствора по
сравнению с температурой замерзания воды. Так, на-
пример, раствор, содержащий 342 г (г-мол) сахару
в 1 л раствора, замерзает при температуре —1,96°, а
растворы таких веществ, как соли, кислоты и щёлочи,
замерзают при ещё более низкой температуре. Темпе-
ратура замерзания раствора зависит от количества
частиц, находящихся в определённом объёме раствора.
Сахар при растворении в воде распадается только на
молекулы. Точно так же растворяются и такие вещест-
ва, как глицерин, спирт и др. Такие вещества, как
соли, щёлочи, кислоты, при растворении распадаются
не только на молекулы, но и на ионы.
Раствор, содержащий в 1 л 58 г поваренной соли
(г-мол) у замерзает при температуре —2,3°.
Этой особенностью растворов объясняется целый
ряд природных явлений. Морская вода, содержащая в
своём составе до 3,5% различных солей, замерзает
при температуре ниже 0°. При этом лёд не содержит
растворённых солей.
Поэтому при замерзании определённого количества
раствора происходит повышение концентрации раство-
рённого вещества, так как растворитель кристаллизу-
ется в виде льда, и может наступить такой момент,
когда растворённое вещество начнёт выпадать в оса-
док, образуя своеобразную смесь кристаллов льда и
растворённого вещества.
Чистая вода не проводит электрического тока, рас-
творы же кислот и щелочей хорошо проводят электри-
ческий ток. На проводимость электрического тока ока-
зывает влияние концентрация раствора. До известной
34

степени уменьшение концентрации увеличивает прово-
димость тока. При очень сильном разбавлении раство-
ра проводимость уменьшается.
Это свойство позволяет использовать водные рас-
творы для проведения электролиза как самой воды в
целях получения водорода, так и для получения таких
веществ, как хлор, едкий натр (электролиз раствора
поваренной соли) и ряда других продуктов. В частно-
сти, путём электролиза происходит очистка сырой меди
от примесей, что позволяет «получать чистую электроли-
тическую медь.
Растворы благодаря широкому распространению в
природе (все природные воды представляют собой
растворы) находят самое разнообразное применение в
производстве различных продуктов, а также в изуче-
нии свойств отдельных веществ.
Приведём несколько примеров. В растворах химиче-
ские реакции протекают быстрее, а во многих случаях
практически мгновенно. Такая скорость реакции объ-
ясняется тем, что вещества в растворе дробятся до
молекул (ионов), все эти частицы находятся в непре-
рывном движении, а потому вероятность встреч, в
особенности противоположно заряженных ионов, и об-
разование новых молекул значительно увеличивается.
В тех случаях, когда вновь образующиеся молекулы
выходят из сферы реакции, реакция может дойти прак-
тически до конца.
Например:
Na2C03+2HCl=2NaCl + H20+C02 f
Подобные реакции обмена используются как для
получения веществ, так и для качественного определе-
ния примесей. Последнее имеет особенно большое зна-
чение при изготовлении чистых реактивов, лекарствен-
ных веществ и т. п.
В технике часто пользуются растворами для разде-
ления смесей солей и в особенности для выделения из
смеси той соли, которая имеет наибольшую ценность.
Например, из природной соли сильвинита mKCbnNaCl
требуется выделить только хлористый калий. Для ре-
шения этой задачи используют свойства каждой соли
в растворе. Поваренная соль медленно растворяется в
*
35

зоде, и при нагревании растворимость её повышается
эчень незначительно. Растворимость же хлористого
калия при нагревании возрастает значительно больше
растворимости хлористого натрия.
Для получения хлористого калия смесь этих солей
растворяют в воде. При нагревании смеси в растворе
будет увеличиваться преимущественно содержание хло-
ристого калия. Отделив раствор от осадка, заставим
его медленно охлаждаться. Из раствора будет выкри-
сталлизовываться почти чистый хлористый калий.
После кристаллизации оставшийся раствор содержа-
щий хлористый натрий, подогревают и снова в нём
производят растворение сильвинита. Поваренная соль
в этом растворе уже не будет растворяться, так
как раствор насыщен по отношению к хлористому
натрию.
Указанная последовательность обработки сильвини-
та приводит к получению очень чистого хлористого
калия.
Подобное же свойство — изменение растворимости
соли при изменении температуры — используется при
получении мирабилита Na2S04* 10H2O. В огромный
залив Кара-Богаз-Гол из Каспийского моря непрерывно
поступает вода. Выхода из залива не найдено, вслед-
ствие чего поступление в него воды может быть объяс-
нено тем, что с поверхности залива испаряется огромное
количество воды, что создаёт понижение уровня воды в
нём и способствует притоку новых порций воды. Испа-
рение воды повышает концентрацию солей в заливе,
и, наконец, наступает такой момент, когда из насыщен-
ного раствора начинает выпадать кристаллогидрат сер-
нокислого натрия.
Этот процесс начинается приблизительно в конце
ноября, когда температура воды доходит до 5,5—6°,
раствор сульфата натрия оказывается насыщенным и
из него начинают выпадать кристаллы Na2S04' 10H2O,
большая часть соли оседает на дно. Чем ниже опуска-
ется температура, тем брльше выпадает кристаллов
мирабилита.
Тяжёлые воды залива Кара-Богаз-Гол, набегая на
берега, оставляют там соль (рис. 11). Собираются
огромные валы соли; кристаллогидрат постепенно те-
ряет воду, происходит процесс выветривания.
36

Рис. 11. Выброс мирабилита на берегах Кара-Богаз-Гол.
С наступлением весны температура воды повыша-
ется, и выветрившийся сульфат снова растворяется
водой, которая уносит в море богатства, выброшенные
на берег осенью, и к июлю—августу берега залива
полностью очищаются от соли.
Добыча мирабилита производится как сбором соли
на берегах, так и путём экскавации со дна моря. До-
бытый мирабилит складывают в кучи, чтобы он вывет-
рился в течение лета. Перевозка сульфата натрия про-
изводится в безводном состоянии, что значительно
уменьшает расходы на транспортировку.
В результате некоторых химических реакций, проте-
кающих в растворах, образуются нерастворимые ве-
щества такой степени дробления, что становятся не-
видимы.
Из раствора эти вещества выпадают либо при очень
длительном стоянии, либо оод воздействием других
веществ. Вещества, растворённые в природной воде, мо-
гут быть выделены только при испарении. Частицы
нерастворимых веществ осаждаются тем быстрее, чем
они крупнее. Осаждение мелких частиц происходит с
большим трудом*
37

Значит, на устойчивость системы вода — нераствори-
мое вещество (дисперсная система1), т. е. на способность
нерастворимого вещества выпадать в осадок, оказывают
большое влияние размеры нерастворимых частиц.
Если мы расположили жидкие дисперсные системы
по степени возрастания дисперсности входящих в их
состав твёрдых частиц, то увидим следующий ряд:
Диаметр
частиц
вт{л
Взвеси
больше 100
Коллоидные
растворы
до 1
Истинные
растворы
меньше 1
Растворы, содержащие частицы, приближающиеся
к 100 /7Z(x, имеют мутноватый вид, мельче — совершенно
прозрачны по внешнему виду. Однако если через рас-
твор, содержащий частицы меньше 100 т\ь, пропустить
яркий пучок сходящихся лучей, то в жидкости появля-
ется светлый конус, видимый в тёмном (помещении
А 6
Рис. 12. Явление Тиндаля.
(рис. 12). Такое явление, получившее название явление
Тиндаля, объясняется тем, что каждая взвешенная ча-
стица рассеивает падающие на неё лучи.
В истинных растворах при тех же условиях мы не
видим светлого конуса, так как в этом растворе нахо-
1 Дисперсная система —это такая система, в которой одно
вещество находится раздробленным и распределённым в виде мел-
ких частиц в другом веществе.
Раздробленное вещество называется дисперсной фазой, а окру-
жающее его вещество — дисперсионной средой.
38

дятся настолько мелкие частицы-молекулы и ионы, что
они не способны рассеивать проходящие лучи света.
Приведённая нами схема изменения размера частиц
показывает, что между взвесями (грубо дисперсными
системами) и истинными растворами существуют колло-
идные растворы, играющие огромную роль в жизни
растительных и животных организмов, в ряде производ-
ственных процессов. Целая область химии — коллоид-
ная химия изучает многообразные свойства этих рас-
творов и их применения.
Мы познакомимся только с некоторыми свойствами.
Коллоидные растворы отличаются от истинных рас-
творов значительно большими размерами частиц-дис-
персной фазы. Эти частицы находятся в состоянии
постоянного движения. Однако дисперсные частицы не
обладают самопроизвольным движением, а движутся
под действием перемещающихся молекул воды. Дви-
жение частиц хаотично, поэтому возможно столкнове-
ние между отдельными частицами. Можно было бы
предположить, что частицы должны слипаться, посте-
пенно увеличиваться в размерах и выпадать в осадок.
Однако такое явление — коагуляция происходит доволь-
но редко, и коллоидный раствор, хорошо изолированный
от внешней среды, может годами стоять без изменений.
Объясняется это тем, что коллоидные частицы какого-
либо вещества заряжены одноименно и поэтому при
встрече отталкиваются друг от друга.
Откуда же взялись заряды у электронейтральных
молекул?
Это объясняется тем, что в растворе всегда нахо-
дятся различные ионы. Коллоидные частицы присоеди-
няют к себе—адсорбируют ионы определённого заряда
и приобретают заряд адсорбированного иона.
Для того чтобы коллоидные частицы укрупнились
и выпали в осадок, -необходимо в раствор в небольшом
количестве добавить электролит. Введение электролита
увеличивает количество ионов, что способствует усилен-
ному поглощению коллоидной частицей ионов противо-
положно заряженных. Происходит нейтрализация заря-
дов, коагуляция частиц, увеличение их размеров и вы-
падение в осадок.
Эти процессы имеют место и в лабораторной прак-
тике и в природных водах.
39

Вот теперь нам должно быть понятно, почему при
впадении реки в море в месте смешения пресной и
солёной воды происходит наибольшее оседание мелких
частиц ила.
ВОДА В ХИМИИ
Начиная с истоков химии учёные в продолжение до-
вольна большого периода времени считали воду про-
стым веществом, так как она не могла быть разложена
в результате тех реакций, которые были известны в то
время. Кроме того, постоянство свойств воды как бы
подтверждало это положение. Однако во второй пола-
вине XVIII века было известно, что при сгорании «го-
рючего воздуха» (водорода) образуется вода.
«Горючий воздух» был (получен в результате взаи-
модействия железа с серной кислотой. Само название
показывает, что полученный газ, по представлению хи-
миков того времени, не был особым веществом, а при-
нимался за обычный воздух, каким-то образом
приобретавший новое качество — горючесть. Горючим
газом заинтересовался Генри Кавендиш. Его интерес
направлен был главным образом на получение «горю-
чего воздуха» при помощи реакций разных металлов
(Fe/Zn, Sn) с кислотами (H2S04, HCI). Кавендиш
установил количественные соотношения между исход-
ным металлом и полученным «горючим воздухом», а
также выяснил, что «горючий воздух» во всех случаях
обладал одинаковыми свойствами. Тождественность
свойств «горючегр воздуха», полученного в результате
различных реакций, Кавендиш установил путём сме-
шивания его в одном и том же объёмном соотношении
с воздухом и сравнивая силу звука при взрыве этих
смесей. Вслед за этим он приступил к определению
плотности различных проб «горючего воздуха».
Работы Кавендиша не решили вопроса, откуда бе-
рётся «горючий газ» — из кислоты или из металла, а
также не давали ответа на вопрос, что же получается
в результате сгорания или взрыва «горючего газа»
вместе с воздухом.
Решение этих вопросов дали наблюдения, произ-
ведённые Пристли при проведении опыта с взрыванием
смеси «горючего газа» с воздухом в закрытом сосуде,
40

в результате чего на стенках сосуда, сухих до опыта,
появлялась влага.
Взимание Кавендиша было привлечено этими опы-
тами Пристли, им был проделан ряд опытов, в резуль-
тате которых образовывались капельки воды. Однако
Кавендиш не пошёл дальше констатации этого факта
и, ослеплённый флогистонной теорией, не сделал соот-
ветствующего вывода о составе воды.
Как только Лавуазье услышал об опытах Кавенди-
ша, он повторил их в присутствии сотрудников Акаде-
мии. Полученная в результате опыта вода была под-
вергнута различным проверочным испытаниям, и свой-
ства её были совершенно такими же, какими обладала
чистая вода. Таким образом, было установлено, что во-
да — вещество сложное. Химия обладает двумя основ-
ными методами, при помощи которых можно установить
состав вещества: анализ и синтез. В данном случае
состав воды установлен путём синтеза (получения) её
из элементов — кислорода и водорода.
Вслед за этим состав воды определили анализом.
В конце XVIII века Французской Академией было дано
задание — изыскать дешёвый способ получения водоро-
да, необходимого для воздухоплавания.
За решение этой задачи взялся Лавуазье. В качест-
ве исходного продукта для получения водорода в боль-
шом количестве по доступной цене он взял воду, как
наиболее распространённое вещество. Чтобы из воды
выделить водород, следует воду обработать таким ве-
ществом, которое связывало бы кислород и не вступало
во взаимодействие с водородом, тогда последний мож-
но будет выделить в свободном виде.
Ранее проделанные опыты с кислородом показали
Лавуазье, что большим сродством к кислороду облада-
ют такие вещества, как железо, цинк, уголь. Лавуазье
выбирает железо, как вещество, которое имеет большое
сходство с кислородом и не вступает в реакцию с водо-
родом.
Сам опыт проводился путём пропускания паров воды
через раскалённый ружейный ствол. Результат опыта
оказался вполне убедительным, так-как был собран во-
дород, а на внутренних стенках ружейного ствола об-
разовалась окалина железа (соединение железа и кис-
лорода).
41

Решение практической задачи, поставленной Фран-
цузской Академией, способствовало установлению со-
става воды аналитическим путём.
Для характеристики каждого сложного вещества
необходимо знать не только качественный состав (из
каких элементов оно состоит), но и количественный
состав, т. е. в каких весовых отношениях находятся
элементы, входящие в состав данного вещества. Теперь
мы можем характеризовать воду, как сложное веще-
ство: вода состоит из водорода и кислорода в весовом
отношении — 2:16. При разложении воды всегда на два
объёма водорода приходится один объём кислорода
при одинаковых условиях. Со-
У "т u став воды показывает, что мо-
п «и» П Ct 3 лекулы её образованы из наи-
*# более сильного окислителя —
о и кислорода и, пожалуй, столь
чл „ же сильного восстановителя —
Рис. 13. Строение молекулы ВОдорода, что уже само по
себе должно предполагать
особые свойства воды, кото-
рая относится к классу окислов. Молекула воды состоит
из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Связь между атомами кислорода и водорода осу-
ществляется за счёт электронов, находящихся на внеш-
нем слое атомов. Ни один из входящих в состав воды
элементов не способен перетянуть к себе электроны
атома другого элемента (рис. 13, а). Такая связь между
атомами элементов носит название ковалентной или
атомной связи и осуществляется при помощи пар элек-
тронов.
Однако если атомы, образующие молекулы, разно-
родны, то общие пары электронов могут быть перетя-
нуты ближе к одному из атомов. Такая ковалентная
связь называется полярной. Молекула воды полярна.
В составе молекулы воды имеются как положитель-
но заряжённые частицы — ядра кислорода и водорода,
так и отрицательно заряженные частицы — электроны.
Для каждого рода зарядов можно найти такую точку,
которая является как бы «электрическим центром тя-
жести». Эти точки называются полюсами молекул
(рис. 13,6).
42

Молекула воды состоит из разнородных атомов,
вследствие чего происходит неравномерное распреде-
ление положительных и отрицательных зарядов внутри
молекулы и электрические центры тяжести положи-
тельных и отрицательных зарядов не совпадают, в ре-
зультате чего и образуется диполь.
Вода принадлежит к веществам очень прочным.
Разложение воды на составные части требует значи-
тельной затраты тепла. Заметное разложение начина-
ется при 1000°, при 2000° разлагается около 2% воды
и только при 4000—6000° наступает полное разложе-
ние. В атмосфере солнца (6000°) имеются отдельно
водород и кислород.
Для того чтобы осуществить разложение воды в до-
статочном количестве, следует получающуюся смесь
газов водорода и кислорода удалять, так как при этой
же температуре происходит соединение образовавших-
ся элементов.
Трудность разложения воды определяется тем, что
при образовании воды из элементов
2Н2+02=2Н20+136,8 ккал
выделяется большое количество теплоты 68,4 ккал—
при образовании 18 г воды в парообразном состоянии,
внутренняя энергия молекул воды значительно меньше
внутренней энергии исходных веществ. Установлено,
что для разложения воды требуется затратить такое
же количество теплоты, какое выделилось при образо-
вании её из элементов.
Значительно легче происходит разложение воды
электрическим током. Практическое использование этой
реакции происходит в целях получения водорода. Но в
настоящее время, даже когда электроэнергия произво-
дится в огромных количествах, этот промышленный
способ разложения воды электрическим током имеет
ограниченное применение.
Для разложения воды следует использовать те ве-
щества, которые обладают большим сродством к кис-
лороду. Такими веществами являются наиболее элек-
троположительные элементы — активные металлы и
такой доступный восстановитель, как углерод, обладаю-
щие большой потенциальной энергией по отношению к
кислороду.
43

На основании измерений установлено, что для рас-
щепления 1 г-мол воды (18 г в виде пара) требуется
58 ккал. Точно так же известно, что при соединении
1 г-атом кислорода с большинством металлов выделя-
ется больше теплоты, чем нужно для расщепления
1 г-мол воды.
Поэтому большинство металлов может разлагать
воду при тех или иных условиях. При окислении бла-
городных металлов, меди, ртути выделяется теплоты
меньше, чем нужно для разложения воды. Перечислен-
ные металлы с водой не взаимодействуют. Наиболее
активно разлагают воду уже на холоду щелочные и
щёлочноземельные металлы.
Магний быстро покрывается плёнкой гидроокиси,
которая мало растворима в воде и поэтому препятст-
вует соприкосновению металла с водой. Однако при
нагревании магний взаимодействует с водой. Алюминий
не взаимодействует с водой даже при нагревании, так
как гидрат окиси его совсем не растворяется в воде.
Этим и объясняется применение алюминия для изго-
товления кухонной посуды. Такие металлы, как железо,
вступают во взаимодействие с водой при температуре
красного каления. Эта реакция применяется в технике
для получения водорода. Вода реагирует с углем при
высокой температуре:
Н20+С = СО+Н2|—28,1 кал
пар рас-
кал.
Реакция идёт с поглощением большого количества
теплоты, поэтому происходит охлаждение раскалённого
угля и реакция прекращается. Для того чтобы реакция
снова могла протекать, через слой угля продувают воз-
дух, уголь раскаляется, и тогда снова продувают во-
дяной пар.
Эта реакция используется в целях получения водя-
ного газа, как топлива с высокой теплотворной способ-
ностью, или для получения водорода, необходимого,
например, в производстве аммиака. Само собой разу-
меется, что в последнем случае водород должен быть
отделён от сопутствующей ему окиси углерода.
Сам процесс получения водяного газа может быть
проведён в газогенераторе (рис. 14), загруженном пре-
имущественно коксом.
44

Непрерывное получение водяного газа, как мы ви-
дели выше, осуществлять нельзя. В технике этот про--
цесс осуществляется периодически: сначала продувают
воздух, в результате чего уголь раскаляется — происхо-
дит реакция горения угля с образованием генераторного
Рис. 14. Газогенератор.
газа, а затем через раскалённый уголь пропускают па-
ры воды. Чтобы получить водяной газ, вещества, полу-
ченные в результате продувки воздуха, собирают от-
дельно.
Вода вступает во взаимодействие не только с ме-
таллами и углем, но и со многими металлоидами (на-
45

пример, с хлором и др.). Реакции с металлоидами
протекают в различных условиях и имеют различное
практическое применение. Так, хлор сначала растворя-
ется в воде, образуя хлорную воду, а затем постепенно
начинает взаимодействовать с водой. Сначала образует-
ся хлорноватистая кислота и хлористый водород. Хлор-
новатистая кислота медленно разлагается с выделением
кислорода:
С12+Н20==НС10 + НС1
НС10=НС1 + 0
Если в момент выделения кислород встречается с
веществом, способным окисляться, то тотчас происходит
процесс разрушения этого вещества.
Рассмотренное свойство раствора хлора в воде ши-
роко используется в технике для беления тканей и для
обеззараживания воды.
Вода вступает во взаимодействие со многими слож-
ными веществами и в первую очередь с различными
окислами. Так:
СаО + Н20 = Са(ОН)2
S03+H20 = H2S04
В результате взаимодействия воды с окислами об-
разуются либо щёлочи, либо кислородсодержащие
кислоты.
Как правило, рассматриваемые реакции — реакции
гидратации протекают быстро. Но этого нельзя сказать
про гидратацию фосфорного ангидрида, так как его
гидратация проходит настолько медленно, что можно
уловить её промежуточные стадии, образование мета-
фосфорной и пирофосфорной кислот, а затем уже обра-
зование ортофосфорной кислоты.
Вода вступает также в обменные реакции с солями
и некоторыми органическими веществами. Эти процес-
сы, носящие название гидролиза, будут рассмотрены
позднее.
Диссоциация воды
Определение молекулярного веса воды в сильно
нагретом парообразном состоянии даёт величину 18, а
молекулярный вес паров по мере приближения к тем-
пературе кипения воды несколько увеличивается. Про-
46

исходит образование более сложных частиц, состоящих
из нескольких обычных молекул. Процесс соединения
нескольких более простых молекул в сложную называ-
ется ассоциацией.
Ассоциация молекул воды объясняется тем, что мо-
лекула воды полярна, а отсюда возможно притяжение
молекул друг к другу свои-
ми разноимёнными полюсами
(рис. 15).
Возможно и другое объяс-
нение этого явления. Водород
при соединении с элементом,
проявляющим большое срод-
ство к электрону, в данном
Рис. 15. Ассоциация моле- случае с кислородом, отдаёт
кул воды. свой электрон на образование
связи, а сам остаётся в виде
ядра, лишённого электронной оболочки. Такое состоя-
ние атома водорода способствует притягиванию его к
электронной оболочке атома другого элемента.
Схематично это можно представить так:
о н н о
/\ \/ /\
н н о н н..
Эта форма связи носит название водородной связи.
Наиболее прочной будет связь между двумя моле-
кулами, где водородная связь осуществляется следую-
щим образом:
о н н
н н о
Вообще следует отметить, что в воде одновременно
существуют в состоянии равновесия различно ассоции-
рованные молекулы, количество которых изменяется в
ту или иную сторону в зависимости от условий.
Совершенно чистая вода обладает незначительной
электропроводностью, что заставляет предположить,
что в чистой воде находятся ионы. Действительно, во-
да незначительно диссоциирует на ионы гидроксила
(ОН-) и гидроксония (НзО+).
47

Установлено, что ионов Н+ в водных растворах не
существует. Все ионы Н+ связаны с молекулами воды
в ионы гидроксония Н30+.
Такое образование иона можно рассматривать как
процесс
Н20 + Н20 = Н30+ +ОН-,
где протон водорода передаётся от одной молекулы во-
ды к другой. Другими словами, ион водорода (голый
протон), как правило, гидратирован, т. е. соединён с
молекулой воды.
Косвенным путём было установлено, что в 1 л чи-
стой воды находится 10~"7 г-ион гидроксония и
10~7 г-ион гидроксила, что записывается в такой фор-
ме: Ю-7 г-ион/л.
Чтобы представить себе, -насколько это малая вели-
чина, приведём такие соображения: в 1 л воды имеет-
ся 10""7 или одна десятимиллионная грамм-иона гид-
роксония, следовательно, 1 г-ион гидроксония содер-
жится в 10 000 000 л воды и в этом же количестве
содержится 1 г-ион гидроксила.
Может возникнуть вопрос: чем объясняется, что на
ионы распадается такое малое количество молекул
воды?
На этот вопрос следует ответить так: очевидно, мо-
лекулы воды с большей силой удерживают свои прото-
ны (ядра водорода), чем присоединяют лишний про-
тон.
Точно так же, на основании прочности связи,
можно объяснить и то, что гидроксил не отдаёт своего
протона и не образует ионов кислорода (О—).
Как мы уже видели, для химически чистой воды в
любом её объёме количество ионов гидроксония и гид-
роксила одинаково, и потому вода имеет нейтральную
реакцию. Значит, в химически чистой воде ни один из
индикаторов не изменяет окраски.
Что же происходит в тех случаях, если в воду вво-
дится кислота, т. е. вещество, которое в растворе даёт
ионы Н+?
В этом случае часть ионов гидроксила будет ней-
трализована
Н80+ + ОН" = 2Н20.
48

В растворе теперь будет находиться избыток ионов
водорода, и, следовательно, среда будет кислая, а цвет
раствора лакмуса (фиолетовый) изменится в красный.
Можно ли ввести столько кислоты, чтобы нейтра-
лизовать все ионы гидроксила?
Ответ на поставленный вопрос дают следующие
рассуждения. Так как концентрация ионов гидроксония
и гидроксила в чистой воде есть величина постоянная
и равна 10~7 г-ион в 1 л (для каждого иона), то, сле-
довательно, и произведение концентраций этих ионов
является также величиной постоянной, равной
10—7 • 10—7= 10—14, и носит название ионного произведе-
ния воды.
В случае введения кислоты, дающей избыток ионов
гидроксония, увеличивается концентрация последних и
уменьшается концентрация ионов гидроксила за счёт
связывания их в молекулы воды, но произведение этих
концентраций будет и в этом случае равно 10~14. На-
пример, концентрация ионов гидроксония стала Ю-4,
тогда концентрация ионов гидроксила будет равна
Ю-10, так как
ю-4 • ю-10 - ю-14
Концентрация Ю-4 или г-ион/л значительно
больше концентрации 10~10 или г-ион\л, и поэтому
среда в данном случае кислая.
Точно так же можно рассуждать и при образова-
нии разбавленного раствора щёлочи, когда количество
Н30+ значительно уменьшится за счёт реакции
Н30+ + ОН- = 2Н20,
но в растворе обязательно останутся ионы гидроксо-
ния в таком количестве, что ионное произведение воды
10-и сохранится. Например, концентрация ионов гид-
роксила равна Ю-3, тогда концентрация ионов гидрок-
сония равна Ю-11, так как 10—3 • 10—х2 = 10—14, следова-
тельно, среда щелочная.
На основании вышеизложенного можно вывести
-следующее правило: если концентрации ионов гидрок-
сония и гидроксила равны, то среда нейтральная, если
4 Вода
49

концентрация ионов гидроксония больше, чем
Ю-7 г-ион/л, то среда кислая, если концентрация
ионов гидроксила больше 10~7 г-ион/л, то среда щелоч-
ная. Для удобства вводится не концентрация, выра-
женная в грамм-ион/литр, а так называемый водород-
ный показатель рН~ это взятый с обратным знаком
десятичный логарифм концентрации ионов Н30+:рН =
--log[H30+].
Таким образом, нейтральным будет раствор, в ко-
тором -log[H30+] = 7, у кислых растворов рН<7, у
щелочных растворов рН>7.
рН 1,2,3,4,5,6, 7, 8,9, 10,11, 12, 13
сильно кислая нейтральная сильно щелоч*
среда среда ная среда.
Величина водородного показателя играет огромную
роль в некоторых явлениях природы. Так, от величины
водородного показателя почвенного раствора зависит
урожайность различных культурных растений. На кис-
лых почвах с рН = 5—5,5 не развиваются проростки
ячменя, но хорошо развивается картофель. Установлено,
что для каждой культуры нужно создать определённую
среду. Вот почему в агролабораториях всегда опреде-
ляют рН почвенных растворов. Для этих целей в про-
даже есть особые наборы веществ, при помощи кото-
рых сравнительно быстро определяют рН, в частности
почвенного раствора. В соответствии с рН почвы раз-
рабатывается метод улучшения почвы. Так, при нали-
чии повышенной кислотности почвы применяют метод
известкования.
Структурой молекул воды и способностью частично
диссоциировать на ионы объясняются многие явления,
имеющие место при соприкосновении воды с различны-
ми веществами.
Рассмотрим только два наиболее интересных про-
цесса, имеющих большое значение как в химии, так и
в обыденной жизни.
Многие сложные вещества, и в особенности соли,
кислоты и щёлочи, молекулы которых образованы из
ионов (электролиты), в воде распадаются на ионы.
Распад молекул электролитов в воде на ионы мо-
жет быть объяснён взаимодействием молекул воды с
молекулами растворяемого вещества.
50

Рассмотрим процесс растворения хлористого натрия.
Установлено, что кристалл хлористого натрия об-
разуется не из целых молекул, а из ионов, расположен-
ных в определённом порядке (рис. 16), где каждый
ион натрия окружён шестью ионами хлора, и наоборот.
Кристалл соли можно рассматривать как очень боль-
шую молекулу.
Рис. 16. Строение кристалла хлористого натрия.
При растворении кристалл окружается молекулами
воды, которые благодаря своей полярности ориентиру-
ются таким образом, что положительный полюс диполя
обращается к отрицательному иону хлора, а отрица-
тельный полюс — к положительному иону натрия
(рис. 17).
У каждого иона располагается несколько молекул
воды, вследствие чего силы притяжения иона к моле-
кулам воды становятся больше, чем между ионами
соли. Происходит отрыв иона, и он в окружении моле-
кул воды приобретает способность, хоть медленно,
передвигаться. В результате этого почти все молекулы
соли распадаются на ионы. Процесс распада молекул
на ионы обратим, так как наблюдается и обратный
процесс образования молекул из ионов. Степень рас-
пада молекул на ионы различна у различных веществ.
В рассмотренном случае лишь 80% молекул поварен-
ной соли распадаются на ионы. Некоторые ионы при-
обретают иную окраску^ как например синий цвет
4*
51

раствора медного купороса зависит от гидратирован-
ных ионов меди, в то время как негидратированные
ионы Си+ бесцветны.
Теперь можно объяснить, почему температура за-
мерзания раствора соли, содержащего в 1 л раствора
1 г-мол соли, ниже температуры замерзания раствора
сахара, содержащего в 1 л раствора 1 г*мол сахара
©©©€> . *Af
© © © j©^ ^
© © © ©JP 4V
© @ © © ° <^ Q ^
Рис. 17* Схема растворения соли.
Сахар в растворе не распадается на ионы, а потому
в 1 л раствора сахара заключается меньше частиц,
чем в 1 л раствора соли. Температура замерзания
раствора находится в зависимости от количества ча-
стиц.
Некоторые полярные молекулы, попадая в воду,
распадаются на ионы. К таким веществам относится
хлористый водород, молекулы которого (НС1) в сухом
газообразном состоянии не проявляют кислотных
свойств. Попав в воду, под действием её молекул НС1
распадается полностью на лоны, и поэтому соляная
кислота относится к сильным кислотам. Примерно то
же можно сказать и о сероводороде (H2S), но распад
на ионы его молекул незначителен, поэтому раствор
H2S — слабая кислота. Аналогичные явления имеют
место и при растворении щелочей, чем большее коли-
52

чеСтво молекул распадается на ионы, тем щёлочь будет
сильнее.
Распад вещества в растворе на молекулы и молекул
на ионы в значительной мере изменяет и свойства во-
ды. В жидкой воде, как правило, молекулы ассоцииро-
ваны (Н20)2, наличие же в воде других частиц, обра-
зование которых связано с взаимодействием их с мо-
лекулами воды, очевидно, изменяет характер ассоциа-
ции молекул воды, что и влечёт за собой изменение
свойств воды: понижение температуры замерзания,
повышение температуры кипения и т. д.
Образование кристаллогидратов
Очень часто для очистки солей применяют метод
перекристаллизации, как это было описано в главе
«Вода как растворитель».
Сам процесс перекристаллизации можно объяснить
так: при растворении соли она распадается на молеку-
лы, молекулы — на ионы. Если у нас имеется смесь
двух солей, имеющих разные, лучше сильно отличаю-
щиеся коэффициенты растворимости, то при нагрева-
нии для получения .насыщенного раствора соль с более
высоким коэффициентом растворимости растворится в
большем количестве. При остывании раствора сначала
выпадает в осадок та соль, коэффициент растворимости
которой при данной температуре меньше. После выпа-
дания первой соли в растворе остаётся соль, коэффи-
циент растворимости которой больше. Отделив раствор
от осадка, будем продолжать охлаждение. Теперь бу-
дет кристаллизоваться вторая соль. Что же будет про-
исходить с ионами? Гидратированные ионы вместе с
молекулами воды будут входить в состав кристалла.
Таким образом, молекулы воды связаны не с молеку-
лами соли, а с ионами, входящими в состав соли.
Ярким примером может служить медный купорос
CuS04-5H20.
Если медный купорос синего цвета прокалить, то
получим порошок белого цвета. Стоит подлить к этому
порошку несколько капель воды, как тотчас же появит-
ся окраска в месте соприкосновения с белым порош-
ком. Происходит гидратация ионов меди.
53

Приведённую нами формулу и аналогичные ей сле-
дует читать: медный купорос, или купрум-эс-о-четыре
на пять молекул воды.
Вода, входящая в состав кристалла, называется
кристаллизационной водой. Прочность связи кристал-
лизационной воды различна. Мирабилит Na2SO4*10H2O
на воздухе постепенно теряет воду и через некоторое
время превращается в безводный сульфат натрия.
хМедный купорос CuS04*5H20 на воздухе теряет
часть своей кристаллизационной воды, а остальную во-
ду теряет только при достаточно сильном .нагревании.
Природное соединение гипс — кристаллогидрат сульфата
кальция CaS04*2H20 на воздухе не теряет воду, при
нагревании до температуры 140—190° из двух молекул
гипса выделяются три молекулы воды:
2CaS04-2H20 -* 2CaS04-H20+3H20
Образуется полуводный гипс, в технике его называют
жжёный гипс или алебастр. Этот гипс легко присое-
диняет к себе три молекулы воды, превращаясь в двух-
водный. Если же полуводный гипс нагреть до темпера-
туры 600°, то происходит отщепление последней моле-
кулы воды, в результате чего образуется безводный
сульфат кальция, называемый ангидрит. Ангидрит с
большим трудом присоединяет воду.
Жжёный гипс широко применяется в строительном
деле.
Следует отметить, что количество молекул воды,
соединённых с молекулой различных веществ, очень
разнообразно. Кристаллогидраты одной и той же соли
могут содержать при разных условиях различное ко-
личество молекул воды, как было указано выше для
мирабилита, гипса.
Однако не все соли образуют кристаллогидраты.
Так, соли азотной кислоты кристаллизуются в безвод-
ном состоянии.
Вода соединяется с некоторыми окислами, образуя
гидроокиси, которые иногда неправильно называют
гидратами. Она в момент соединения с окислом пре-
терпевает глубокое изменение, а потому может быть
выделена только в результате разрушения молекулы
гидроокиси. Такая вода носит название конституци-
онной.
54

Гидролиз
Некоторые вещества, попадая в воду, не только
растворяются в ней, но и вступают во взаимодействие
обменного характера. Растворённая соль, попадая в
воду, распадается на ионы, и тогда в воде будут нахо-
диться катионы и анионы, на которые распадутся мо-
лекулы соли, и ионы гидроксила и гидроксония, кото-
рые всегда имеются в воде.
При растворении, например, NaN03 в растворе будут
находиться ионы Na+, N03-, H+, ОН-. В результате
возможных столкновений могут образовываться моле-
кулы исходных веществ NaN03 и НгО, а также молеку-
лы NaOH и HN03:
NaN03 + Н20 ^ Na+ + N03~ + Н+ + ОН " ^
^NaOH + HN03
Образовавшиеся NaOH и HN03 будут сильными
электролитами и тотчас же распадутся на ионы Na+,
N03"~, H+, ОН", а так как ионное произведение воды
постоянно, то избыток ионов водорода и гидроксила,
который мог бы получиться при образовании молекул
NaOH и HN03 и их диссоциации, сейчас же будет свя-
зан в молекулы воды.
Таким образом, в рассмотренном нами случае хи-
мической реакции, сопровождаемой образованием но-
вого вещества, не происходит. В растворе остаются
всё время одни и те же ионы. То же самое можно на-
блюдать и при растворении Na2S04, KG, KN03 и т. д.
Приведённые соли можно рассматривать как вещества,
образованные при взаимодействии оснований NaOH и
КОН с кислотами НС1, H2S04, HN03.
В данном случае мы имеем сильные основания и
сильные кислоты, поэтому соли, образованные ими, в
воде не подвергаются гидролизу.
Иная картина будет в том случае, когда соли обра-
зованы в результате взаимодействия слабых оснований
или кислот соответственно с сильными кислотами и осно-
ваниями, или слабого основания со слабой кислотой.
Рассмотрим несколько примеров:
CH3COONa + Н20 «=± СН3СОО~ + Na+ + Н+ + ОН" ^=±
^ CH3COOH + NaOH ^ CH3COOH+Na+ +ОН~~
55

Рассуждая аналогично со случаем растворения
NaN03, мы приходим к выводу, что на первой стадии
образуются уксусная кислота СН3СООН и едкий натр.
Уксусная кислота — слабая кислота, и распад её на
ионы (СНзСОО- и Н+) очень незначителен, поэтому
в растворе будут находиться молекулы уксусной кис-
лоты, при образовании которых часть ионов Н+ будет
связана, а также ионы Na+ и ОН-.
Связывание ионов водорода вызывает дальнейшую
диссоциацию воды и образование новых молекул ук-
сусной кислоты, одновременно увеличивается и число
гидроксильных ионов в растворе, а поэтому среда та-
кого раствора — щелочная.
Рассмотрим явления, имеющие место при растворе-
нии соли сильной кислоты и слабого основания. На-
пример,
СиС12 + Н20 ^± Си++ + 2С1- + Н+ +ОН- ?=±
^=± CuOHCl + НС1 «z± CuOHCl + Н+ + С1-
В результате этой реакции образуется новое соеди-
нение CuOHCl — основная соль1. В состав её входит
мало диссоциирующий ион СиОН+, который связывает
ионы гидроксила воды; в избытке окажутся ионы Н+,
поэтому и среда будет кислой.
Наконец, если мы возьмём соль слабой кислоты и
слабого основания, например (СН3СОО)3А1, то пр,и
гидролизе образуется слабая уксусная кислота, связы-
вающая ионы Н+ и ионы основной соли, на образова-
ние которых пойдут ионы ОН-. Реакция среды в случае
гидролиза таких солей зависит от относительной силы
соответствующих кислот и оснований и может быть
кислой, щелочной и даже нейтральной, если силы кис-
лоты и основания равны.
На основании рассмотренных обменных реакций
между солью и водой — реакций гидролиза можно сде-
лать следующие выводы:
1. Соли, получившиеся в результате взаимодействия
сильных кислот и оснований, не гидролизуются, и сре-
да раствора таких солей будет нейтральной.
1 Основной солью называется такая соль, в состав которой
входят как гидроксильная группа, так и кислотный остаток.
56

2. Соли, получившиеся в результате взаимодействия
слабой кислоты и сильного основания, гидролизуются,
и среда раствора — щелочная.
3. Соли, образованные сильной кислотой и слабым
основанием, гидролизуются, и среда раствора — кислая.
4. Соли, образованные взаимодействием слабой кис-
лоты и слабого основания, гидролизуются, но среда
раствора может быть нейтральной, или щелочной, или
кислотной, в зависимости от относительной силы кисло-
ты и основания, образовавших эту соль.
Реакция гидролиза, как правило, обратима и идёт
только до некоторого предела. Исключение составляют
отдельные случаи, когда получаются слабые кислота и
осйование или летучие и малорастворимые вещества.
Тогда гидролиз идёт до конца.
Например, при взаимодействии с водой сернистого
алюминия:
Al2S3+6H20=2Al(OH)3+3H2S f
В данном случае мы имеем соль, образованную сла-
бым, малорастворимым основанием и слабой летучей
кислотой.
Кроме солей, гидролизу подвергаются и многие
органические соединения. Рассмотрим некоторые при-
меры.
Для изготовления мыла подвергают гидролизу жи-
вотные и растительные жиры. Жиры — это сложные
вещества, которые под действием воды в присутствии
некоторых веществ как катализаторов расщепляются
на кислоту и глицерин. Высокомолекулярные кислоты,
такие, как стеариновая, олеиновая и др., образуют соли
натрия и калия, которые и представляют собой мыла.
Последние подвергаются гидролизу. Например,
Ci7H35COQNa + H20 ^C17H35COOH+NaOH
Соль стеариновой (С17Н35СООН) кислоты, как сла-
бой кислоты, гидролизуется, а так как в результате
будут связаны ионы Н+, то в растворе в избытке бу-
дут ОН-, т. е. среда будет щелочная, чем наряду с
некоторыми другими факторами объясняется моющее
действие мыла.
Гидролизу подвергаются такие сложные вещества,
как крахмал и древесина. В результате гидролиза
57

образуются различные, менее сложные вещества. Гид-
ролиз древесины в настоящее время производится на-
столько в больших размерах, что образовалась особая
область промышленности — гидролизная промышлен-
ность.
Во многих реакциях выделяется вода, которая спо-
собна гидролизовать уже полученное вещество, поэто-
му вводят такие вещества, которые способны погло-
щать воду. К этим веществам относятся концентриро-
ванная серная кислота, прокалённый хлористый каль-
ций (СаС12). В последнем случае вода поглощается в
результате образования кристаллогидрата СаСЬ-бЬЬО.
Наконец, следует остановить внимание и на роли во-
ды в создании органического вещества в процессе фо-
тосинтеза. Фотосинтез — это процесс углеродного пита-
ния зелёных растений, осуществляемый при помощи
световой энергии, поглощаемой пигментом-хлорофил-
лом. В процессе фотосинтеза растения из углекислого
газа и воды создают первичные вещества, необходи-
мые для поддержания жизненных процессов. Исходные
вещества для фотосинтеза — углекислый газ и воду
растения поглощают из воздуха и извлекают из почвы.
Оба эти вещества представляют продукты полного
окисления углерода (С02) и водорода (Н20).
При фотосинтезе оба продукта представляют из се-
бя вещества очень устойчивые и бедные внутренней
энергией, а при помощи энергии света превращаются
в систему веществ малостойких, но обладающую бо-
гатым запасом энергии.
При усвоении в процессе фотосинтеза 1 г-мол угле-
кислого газа (44 г) накапливается и запасается в про-
дуктах фотосинтеза 112 ккал химической энергии. Сум-
марно этот процесс можно выразить таким уравнением
реакции:
свет
6С02+6Н20^^ф^; С6Н12Об+602-674 ккал
(Знак минус показывает, сколько поглощено, а в дан-
ном случае можно сказать запасено энергии на 6 г-мол
углекислого газа.)
Благодаря фотосинтезу поглощается огромное коли-
чество углекислого газа и воды, создаются миллиарды
58

тонн органического вещества, выделяется в воздух ко-
лоссальное количество кислорода, зелёные растения
коренным образом преобразуют природу и являются,
по выражению К. А. Тимирязева, «космическим факто-
ром».
В процессе фотосинтеза зелёные растения ежегодно
связывают и превращают в химическую энергию столь-
ко же энергии солнечной радиации, сколько могли бы
давать в течение года при бесперебойной работе
200 тыс. таких электростанций, как Куйбышевская ГЭС.
Наряду с этим на земле совершаются примерно в
тех же масштабах, но противоположные по направле-
ниям процессы окисления органических веществ и вос-
становления углерода при горении топливных материа-
лов, расходовании органических веществ при дыхании
организмов и пр. В результате этих процессов идёт об-
разование углекислого газа и воды. Так, энергия сол-
нечной радиации через посредство фотосинтеза служит
силой колоссального по размерам круговорота на зем-
ле энергии, а также круговорота углерода, кислорода
и водорода.
Таким образом, вода в огромных количествах уча-
ствует в образовании различных органических веществ.
ВОДА В ПРИРОДЕ
Общая площадь земной поверхности — 510 млн. км2;
149 млн. км2 составляет суша, а остальные 361 млн. км2—
моря и океаны, содержащие основную массу воды зем-
ного шара в количестве 1 370 323 тыс. км3. Суша сосре-
доточена преимущественно в северном полушарии,
водная поверхность — в южном.
Вода на поверхности земли находится в виде океа-
нов, морей, озёр, рек, грунтовых вод и болот.
Мировой океан делится на 4 океана: Тихий, сред-
няя глубина которого — 4028 м и наибольшая глубина
в районе Марианской впадины—10 863 м. Это самое
глубокое место мирового океана; Индийский океан име-
ет среднюю глубину 3897 м\ Атлантический океан —
3926 м\ Северный Ледовитый океан—1204 м. Солё-
ность воды океана примерно одинаковая в основной
массе и достигает 3,5%.
59

Больше других по количеству растворено хлоридов,
которые составляют от общей суммы солей 88,7%, за-
тем идут сульфаты-10,8%, ещё меньше растворено
карбонатов —0,3% и 0,2% Других солей. С глубиной
солёность изменяется. Более значительное изменение
концентрации солей наблюдается на глубине 50—100 м,
с глубины же 400 м солёность становится постоянной.
Почти всё тепло (94%), поступающее на поверхность
океана от солнечных лучей, поглощается слоем воды
толщиною в 1 ж, и передача тепла в глубину происхо-
дит за счёт вертикального перемешивания воды.
В результате вертикального перемешивания воды
океана происходит не только равномерное распределе-
ние тепла, солёности в придонном районе, а также про-
исходит пополнение запаса кислорода, необходимого
для жизнедеятельности животных и для осуществления
окислительных процессов.
Моря и океаны
Особенности морей заключаются в том, что они за-
нимают окраинные части океана, поэтому на них боль-
ше влияет примыкающая суша; в моря впадают реки,
которые приносят большое количество пресной воды и
взвешенных мелких частиц, что оказывает влияние на
солёность морей, зависящую от соотношения количеств
поступающей пресной воды и воды, испаряющейся с по-
верхности моря.
Ввиду различия температуры и солёности отдель-
ных морей наблюдается колебание средней плотности
воды от 1,02821 (при 0°) до 1,0248 (при 20°) и измене-
ние цвета морской воды от зелёного до голубого, в от-
личие от цвета воды океана — преимущественно синего.
Окраска меняется и под влиянием взвешенных ча-
стиц.
Образование льда в морской воде начинается с об-
разования кристаллов как на поверхности воды, так
и в толще воды, охваченной перемешиванием. Кристал-
лы, образовавшиеся внутри воды, поднимаются кверху
и смерзаются либо в льдинки, либо образуют сплошную
корку при отсутствии даже малейшего волнения.
Рост льда идёт сначала на поверхности, а затем уже
в глубину.
60

Роль морей и океанов в формировании рельефа за-
ключается и в том, что живущие в море организмы во
многих случаях имеют раковины, построенные из угле-
кислого кальция СаСОз или опала Si02«/tH20, которые
после гибели животных образуют значительные слои
отложений. Эти отложения в результате некоторых гео-
логических процессов могут выйти на поверхность.
Замечено, что организмы строят твёрдые части из
углекислого кальция (СаСОз) в условиях тёплой пого-
ды, повышенной солёности воды и значительной про-
зрачности её. В условиях противоположных указанные
организмы строят твёрдые части из опала Si02 • п Н20.
Необходимый для построения скелетов и раковин угле-
кислый кальций образуется в результате реакций, про-
текающих между веществами, встречающимися в мор-
ской воде.
Так, образование углекислого кальция (СаС03) про-
исходит благодаря следующим реакциям:
CaS04+2C1 = CaS+2C021
CaS + H20 = CaO+H2Sf
CaO+C02=CaC03j
Эти реакции протекают особенно хорошо, когда в воде
содержится значительное количество сернокислого каль-
ция (CaS04), и при повышенной температуре. В усло-
виях пониженной температуры и слабой минерализации
морская вода всегда содержит значительное количество
мути, состоящей преимущественно из двуокиси крем-
ния (Si02) и опала (Si02» лН20).
Морские организмы используют эти коллоидные
частицы и строят из них раковины.
Озёра
Большинство озёр наполнено пресной водой, но в
некоторых непроточных озёрах происходит постепенное
повышение концентрации растворённых солей вплоть
до того, что соли будут выпадать в осадок.
Углерод берётся из организмов животных.
61

Такие озёра называются солёными. Солёность озёр
различна, например Каспийского моря-озера — 1,6%,
Сакского —27,1%.
Небольшие и неглубокие озёра часто заполняются
осадками, и уровни их сравниваются с окружающей по-
верхностью, тогда озеро превращается в болото. Как
правило, озёра, из которых образовались болота, пер-
воначально начинают зарастать различными водяными
растениями: тростниками, осоками, мхами и многими
другими. Отмирающие части растений выпадают на
дно и подвергаются гниению, чему способствуют бак-
терии.
В результате этого процесса образуются различные
продукты и в том числе органические кислоты. По мере
увеличения количества органических кислот бактериаль-
ная жизнь замирает, распад же органических остатков
происходит в результате окисления их сначала за счёт
кислорода, растворённого в воде, а позднее того кисло-
рода, который входит в состав клетчатки растений. По-
степенно образуется торф, плотность которого и состав
изменяются снизу вверх.
Реки
Текучая вода рек оказывает большое действие на
поверхность Земли. В результате размывания почвы во-
дами, стекающими со склонов возвышенностей после
дождей или во время половодья, образуются овраги,
которые особенно быстро растут в местностях, не по-
крытых растительностью и сложенных из пород, легко
поддающихся размыванию, в результате сначала обра-
зуются промоины, а позднее они превращаются в
овраги.
Овраги можно рассматривать как начало образова-
ния рек, в которых постепенно происходило образова-
ние ложа и вообще формирование долины — углубле-
ния, по которому протекает река. Особенность ложа
заключается в том, что уклон дна реки от верховьев
постепенно уменьшается по направлению к устью
(рис. 18).
Река производит огромную работу по переносу об-
ломков и мелких частиц пород, среди которых она про-
бивается во время формирования русла.
62

Температура воды реки зависит от температуры воз-
духа и несколько отстаёт от неё.
Реки умеренной и холодной зон покрываются льдом
с поверхности воды и только мелководные промерзают
до дна. Во время вскрытия рек лёд производит огром-
ную работу по переносу и отложениям осадков.
У k A
L ,
01 -^
X
Рис. 18. Кривая, характеризующая изменение
ложа реки.
Подземные воды
Часть атмосферной воды просачивается через поч-
ву, проникает в коренные породы и идёт на образова-
ние подземных вод. Эта вода под влиянием силы тяже-
сти по различным трещинам и пустотам проникает до
водонепроницаемого слоя, например глины, каменного
угля и др.
При достаточном накоплении вода заполняет
все поры и пустоты водопроницаемого слоя и начинает
перемещаться в нём параллельно водонепроницаемому
слою, так образуется первый водоносный слой — го-
ризонт грунтовых вод.
Однако могут быть горизонты, содержащие воду и
ниже горизонта грунтовых вод, — это горизонты под-
земных вод.
Всякий выход подземных вод, в том числе и грунто-
вых, на поверхность называется источником. Характер
источников зависит от условий образования подзем-
ных вод, а также от глубины залегания водоносного
слоя.
Если водонепроницаемый слой залегает неглубоко,
то может образоваться болото или происходит медлен-
ное и спокойное высачивание воды. В источниках, свя-
аз

занных с более глубокими горизонтами, где давление
значительно, вода выходит в виде ключей.
Во время образования водоносных горизонтов вода
растворяет различные соли, в результате чего она ми-
нерализируется. По количеству растворённых солей
вытекающие источники бывают: минеральные, содержа-
щие не менее 1 г солей в 1 л, пресные — менее 1 г со-
лей в 1 л и солёные — от 1 до 50 г.
В разных источниках могут быть растворены различ-
ные соли, поэтому их делят по наиболее характерным
для них растворённым веществам на железистые, ще-
лочные, солёные, горько-солёные с содержанием серно-
кислого магния (MgS04), сернистые, известковые, ра-
диевые. Мы отмечаем именно эти источники потому,
что они используются в лечебных целях.
Деятельность подземных вод сводится преимуще-
ственно к растворению, химическому воздействию на
породы, по которым она протекает, и к переносу осад-
ков. Подземные воды растворяют вещества, входящие в
состав горных пород. Растворение их облегчается бла-
годаря повышенной температуре и давлению, имеющим
место в подземных горизонтах, а также и благодаря
наличию в растворе таких газообразных веществ, как
кислород и углекислый газ. Сравнительно легко раство-
ряются каменная соль, гипсы, известняки, мрамор, мел,
мергели, доломит. В этих породах в результате раство-
рения образуются постепенно увеличивающиеся пусто-
ты, переходящие в конце концов в пещеры и даже в
систему пещер, достигающих иногда грандиозных раз-
меров.
Так, например, Кунгурская пещера (Западный
Урал) имеет длину около 2,5 /еж, есть пещеры и боль-
ших размеров. В возникших пещерах в дальнейшем ча-
сто происходит выпадение солей из растворов подзем-
ных вод и образование натёчных форм. Примерами
таких образований могут служить сталактиты — натё-
ки, напоминающие сосульки и спускающиеся с потолка
пещеры. Навстречу им происходит рост образований с
пола пещеры в виде конических столбиков — это ста-
лагмиты (рис. 19). Причиной указанных образований
будет вода, в которой содержится в растворе бикарбо-
нат кальция. Этот раствор, циркулируя в водоносном
слое, находится под большим давлением. Поступая в
64

Рис. 19. Сталактиты и сталагмиты.
пещеру, вода попадает в область более низкого давле-
ния, в результате чего бикарбонат кальция Са (НСОзЬ
теряет воду и углекислый газ и превращается в кар-
бонат СаС03, из чего преимущественно и образуются
сталактиты и сталагмиты.
Возможно образование натёчных форм и из гипса,
что связано, по-видимому, с действием сероводорода и
кислорода на бикарбонат кальция:
Ca(HC03)2+H2S+202=CaS04-2H20+2C02f
Подземные воды подвергают гидратации некоторые
минералы. Так, из сернокислого кальция (CaS04) обра-
зуется гипс CaS04#2H20. При этом объём кристалло-
гидрата становится на 33% большим, чем соответствую-
щее количество ангидрита. В результате такого измене-
ния объёма происходит вспучивание пластов.
Гидратации подвергается и окисел железа состава
Fe203 (гематит) с переходом в вещество состава
2Fe203 • ЗН20. Безводные силикаты переходят в водные.
5 Вода
65

Например, ортоклаз КгО • А120з • 6Si02 в результате
действия воды, содержащей углекислый газ, превра-
щается в каолин 2Н20 • А1203 • 2Si02.
Реакция может быть выражена следующим уравне-
нием:
К20 • А1203 • 6Si02+2H20+C02=*
= K2C03+4Si02+2H20 • А1203 • 2Si02
Так как в подземных водах имеется в растворе воз-
дух, в котором, как мы говорили раньше, кислорода
больше, чем в воздухе атмосферы, то под влиянием ра-
створённого кислорода происходит перевод закисных
соединений в окисные: углерод окисляется до углекис-
лого газа, сульфиды превращаются в окислы. Сернистый
газ может окислиться до БОз, который даёт серную
кислоту, а последняя при взаимодействии с карбона-
том кальция образует гипс.
Под влиянием подземной воды нередко происходит
превращение силикатов в карбонаты, при этом обра-
зуется и каолин.
С изменением условий, в которых находятся под-
земные воды, происходят различные процессы: вода,
насыщенная бикарбонатом кальция Са(НСОз)2, вы-
ходя на поверхность земли, попадает в условия пони-
женного, сравнительно с подземным, давления, в ре-
зультате чего выделяется углекислый газ, а это приво-
дит к образованию карбоната кальция СаСОз, который
и выпадает в осадок. Образованию осадка способ-
ствует наличие остатков животных, ветки, листья и т. д.
Выпавший в этом случае карбонат кальция и есть из-
вестковый туф. Это—пористая порода, в которой
встречаются иногда и довольно большие пустоты.
Как частный случай, имеющий место преимуще-
ственно в области горячих вод, таких, как гейзеры,
можно привести образование кремнистых туфов. Это —
пористая порода белого цвета, образующаяся в ре-
зультате выпадения из раствора опала Si02»nH20.
Встречаются целые пласты бурых железняков, обра-
зование которых связано с деятельностью подземных
вод. Закисные соединения железа FeC03 и FeS04,
растворённые в воде, попадают в море или озеро и,
по-видимому, под действием бактерий переходят в
бб

2Fe203 • 3H20 — бурый железняк, который отлагается в
виде пластов.
В тех случаях, когда подземная вода не выходит на
поверхность, процесс образования осадков в результа-
те изменения условий может происходить в пустотах,
имеющихся в горных породах. Подземные воды, про-
текая по песку или гальке, выделяют растворённые в
них вещества и могут цементировать горные породы,
образуя конгломерат. Цементирующими веществами ча-
стот бывают СаС03, Si02'ftH20, FeC03, Са3 (P04h.
круговорот воды
Круговорот воды на земле — сложный процесс, со-
стоящий из нескольких основных звеньев: испарения,
переноса водяных паров воздушными потоками, выпа-
дение осадков, поверхностного и подземного стока вод
суши в океан. По последним оценкам советских учё-
ных, количество воды, принимающей участие в круго-
вороте воды на всём земном шаре, составляет в тече-
ние года 518 000 кмг.
Общая сумма осадков, выпадающих в среднем за
год на поверхности всего земного шара, принимается
за 511000 кмг. Из нихч на материк относится 19% или
99 500 км\ а на океан —411500 км3 (81%).
Все воды материков получаются ими, несомненно, из
океана благодаря переносу части испарений с поверх-
ности океана на материк.
Всю влагу, вернувшуюся в океан, можно назвать
отработанной влагой, потерянной для увлажнения ма-
терика. Ту же влагу, которая будет унесена дальше
внутрь материка, можно назвать активной влагой. Эта
влага состоит из парообразной воды, содержащейся в
нижних слоях воздуха, в верхних слоях почвы, в
пределах корневой системы растительного покрова,
тканях растений и животных, во внешних слоях вну-
тренних водоёмов и в верхнем слое снега.
Разберём существо тех процессов, которые уча-
ствуют в создании (формировании) круговорота воды.
Начнём с испарения.
Испарение мы наблюдаем с поверхности воды, а так-
же с поверхности голой земли и с растительного покро-
5*
67

ва. В последнем случае мы встречаемся с особым видом
испарения, так называемой транспирацией — это явле-
ние биологического характера.
Процесс испарения с поверхности воды заключает-
ся в том, что наиболее активные молекулы отрываются
от поверхности воды и переходят в окружающую атмо-
сферу.
Выше мы указывали, что если вода находится в
замкнутом пространстве, то испарение прекращается
в тот момент, когда пар над жидкостью станет насы-
щающим. С этого момента наступает так называемое
подвижное равновесие, когда количество отрывающихся
молекул воды равно количеству вновь возвращающих-
ся молекул. Такое состояние можно на некоторое время
прервать, если повысить температуру. Однако через
некоторое время снова наступит состояние подвижного
равновесия.
В природных условиях такого состояния достигнуть
невозможно, так как молекулы воды будут диффунди-
ровать в окружающую атмосферу и тем в больших ко-
личествах, чем меньше насыщены парами воды слои
атмосферы, прилегающие к поверхности воды и подвер-
гающиеся постоянному перемешиванию.
Раньше считали, что на перемешивание слоев воз-
духа оказывает влияние горизонтальное движение воз-
духа. На самом деле над большими водоёмами гори-
зонтальное движение слоев воздуха совершается в
среде одинаковой насыщенности водяными парами. На
перемешивание нижних слоев атмосферы насыщенны-
ми водяными парами наибольшее влияние оказывает
движение под углом к поверхности водоёма.
С того момента, когда насыщенность нижних слоев
атмосферы уменьшается, тотчас же увеличивается ко-
личество молекул, переходящих в атмосферу, т. е. про-
исходит постоянное испарение, увеличивающееся при
повышении температуры поверхностного слоя воды и
наличии ветра.
Испарение с почвы
Физическая сущность процесса испарения с поверх-
ности почвы та же, что и испарение с поверхности во-
ды. Однако для почвенного испарения огромное значе-
68

ние имеет влажность почвы, так как при отсутствии
влаги ни разность насыщаемости, ни ветер, ни темпера-
тура не окажут никакого влияния на испарение.
Процессы испарения с поверхности почвы разно-
образны. Разберём несколько случаев: после дождя,
когда влага ещё не прошла в почву, мы имеем случай
почти такой же, как испарение с поверхности воды, с
той только разницей, что обычно перед дождём почва
бывает сильно нагрета, а потому и испарение будет
происходить быстрее.
Более, сложный случай тогда, когда горизонт грун-
товых вод находится ниже поверхности почвы. В этом
случае испарение происходит с поверхности грунтовой
воды. В порах и каналах почвы быстро достигается
насыщение парами воды, и дальнейшее испарение бу-
дет возможно, если слои атмосферы, соприкасающиеся
с почвой, ещё не насыщены парами воды. На скорость
испарения влияет и размер почвенных частиц. Наи-
большая скорость испарения достигается при какой-то
средней крупности зерна.
Если влаги выпадает мало, испарение происходит
только за счёт почвенных вод. Установлено, что на глу-
бине 1,1 м метеорологические условия оказывают очень
слабое влияние на почвенные воды и испарение стано-
вится близким к нулю.
Испарение с растительного покрова
Так как большая часть поверхности земли в зависи-
мости от климатических условий и времени года покры-
та растительностью, испарение с растительного покрова
играет очень большую роль. Этот вид испарения отли-
чается от испарения как с поверхности водоёма, так и
с поверхности почвы.
Растение для питания забирает своей корневой си-
стемой воду из почвы и гонит её по сосудистой системе
снизу вверх к поверхности листьев, с которых и проис-
ходит испарение.
Какие же основные факторы влияют на транспира-
цию?
Прежде всего температура и солнечная радиация,
как обусловливающие жизнь растений и интенсивность
их роста. Вода, необходимая на прирост тканей, со-
69

ставляет доли процента, а потому почти не влияет на
количество испаряемой воды. Избыток влаги растение
не использует. За вегетационный период различные
растительные формации испаряют неодинаковые коли-
чества воды. Так, травы и культурные растения за ве-
гетационный период испаряют 229—254 мм, хвойные
деревья 102—154 мм воды.
Пары, тем или иным путём попавшие в воздух, сно-
ва конденсируются, осуществляя второй процесс в
круговороте воды — образование осадков. Многолетние
наблюдения позволяют вывести среднегодовое количе-
ство выпадающих осадков. Как пример приведём коли-
чество выпадающих осадков на суше в северном полу-
шарии:
Широта (в град,)
90-60
60-40
40-20
20-0
Количество осадков
(в мм)
270
501
631
1093
Таким образом, наибольшее количество осадков вы-
падает в районе тропиков и совсем мало — в районе
Арктики.
Как осуществляется почвенная конденсация, проис-
ходящая непосредственно на поверхности земли?
Конденсация на дневной поверхности почвы очень
мала, поэтому интерес представляет конденсация вну-
три почвы, в порах грунта.
На конденсацию в порах грунта влияет размер ча-
стиц. Чем больше их в единице объёма, тем больше
их суммарная поверхность (поверхность мелких пес-
чинок, содержащихся в 1 еж3, составляет примерно
20 000—30 000 см2), тем в большей степени- происходит
конденсация.
Благоприятные условия для образования почвенной
конденсации: абсолютная влажность воздуха, большая
гигроскопическая способность почвы, разница в темпе-
ратурах верхнего и нижнего горизонта, проницаемость
почвы для паров и слабое значение капиллярного под-
нятия воды из нижних слоев.
70

Снеговой покров
В климатических условиях большей части СССР
роль снегового покрова в водном балансе, в частности
во внутригодовом распределении стока, играет большую
роль.
На образование снегового покрова влияют состоя-
ние почвы до первых снежных осадков, зимние отте-
пели, ветер и, наконец, солнечная радиация. Снеговой
покров в течение зимы всё время изменяется как по
высоте, так и по плотности на разных глубинах. Кроме
того, количество снега резко меняется по годам. Снего-
вой покров — резерв для пополнений влаги в почве во
время таяния; вот почему на полях принимаются меры
для задержания снега.
Просачивание и грунтовые воды
Выпадающие осадки частично впитываются в почву
и в зависимости от разных обстоятельств, как напри-
мер метеорологических, или поднимаются обратно и ис-
паряются в атмосферу, или проникают вглубь, образуя
подземные водоносные горизонты.
Влажность грунта даже после обильных осадков
имеет место лишь в самом верхнем слое, далее же на
большой глубине вплоть до водоносного слоя грунт
представляется сухим. Если считать, что перемещение
влаги в грунте происходит только благодаря капил-
лярному перемещению, то образование грунтовых вод
было бы невозможно.
В настоящее время установлено, что в грунте, кроме
капиллярного перемещения, ещё имеется так называе-
мое плёночное перемещение, которое в природе осу-
ществляется гораздо чаще, чем капиллярное.
При капиллярном движении вода заполняет все про-
межутки между частицами, при плёночном движении
она окружает каждую частицу грунта тончайшей плён-
кой, проникая также и в поры самой частицы, проме-
жутки же между частицами грунта заполнены возду-
хом.
Характер капиллярного движения определяется
размерами пор грунта, а плёночного — размерами по-
7L

верхности частиц грунта. Плёночное движение имеет
большое значение для грунтов с мелкими частицами.
Если с поверхности почвы происходит испарение и
тем больше, чем ближе к поверхности земли, то верх-
ние плёнки испаряются и на пополнение их передвига-
ются нижние плёнки..
Таким образом, два вида вертикального движения
воды в мелкозернистых грунтах: с заполнением всех
пор грунта (капиллярное движение) и при незаполнен-
ных порах (плёночное движение).
В каком же сочетании находятся эти два движения
воды? После выпадения даже первых порций дождя
вода начинает просачиваться по порам. Когда израс-
ходуется весь верхний слой влаги, капиллярная колон-
на отрывается от поверхности почвы и с постоянной
скоростью опускается вниз. При этом часть воды долж-
на перейти в плёночное состояние, так как капилляр-
ная вода смочила частицы грунта. Следовательно, по
мере опускания капиллярной колонны высота её будет
уменьшаться и на некоторой глубине должна исчезнуть,
т. е. движение воды приобретёт плёночный характер.
ОЧИСТКА ВОДЫ
Основная масса природной воды находится в непо-
средственном соприкосновении с горными породами и
атмосферным воздухом.
Вода рек и озёр всегда содержит различные приме-
си в виде растворённых и мелко раздробленных (кол-
лоидного состояния) веществ, а также богата бакте-
риями и другими микроорганизмами, растительного и
животного происхождения.
Большие требования предъявляются к воде, идущей
для пищевых целей. Вода не должна причинять челове*
ческому организму никакого вреда и в то же время
должна иметь приятный вкус; не должна содержать бо-
лезнетворных бактерий, вызывающих эпидемии, как то:
дизентерии, брюшного тифа и многих других.
Качество воды оценивается по количеству кишечной
палочки, так как кишечная палочка является родона-
чальником возбудителей тифа, паратифов, дизентерии.
В СССР установлено допустимое количество кишечной
72

палочки: на 333 мл воды одна палочка. Обычно питье-
вую воду анализируют на присутствие в ней яиц пара-
зитических червей.
Вода, пригодная для питья, должна быть прозрач-
на, бесцветна, иметь величину рН в пределах 6,5—9,5 и
обладать приятным вкусом благодаря присутствию ми-
неральных солей и углекислого газа.
Природная вода содержит в своём составе различ-
ные соли. Наиболее распространённые ионы солей при-
родных вод (за исключением йода и фтора) служат
лишь в качестве незначительного источника пополнения
их в солевом бюджете организма. Основной источник—
пищевые продукты. Необходимо отметить, что дистил-
лированная вода, как лишённая солей, безвкусна и,
кроме того, вредна для организма, так как вызывает
обессоливание, как говорят выщелачивание, слизистых
оболочек.
Следует также отметить, что потребность человека
в радиоактивных элементах вполне удовлетворяется на-
личием их в природной воде (преимущественно радио-
активные изотопы: К40 и С14).
Различают три вида природных вод: атмосферные,
в виде дождя и снега, подземные и поверхностные.
Атмосферные воды отличаются чистотой, содержат
наименьшее количество растворённых веществ и бак-
терий, но не могут служить серьёзным источником
снабжения водой больших населённых пунктов за недо-
статочностью её и растворённых в ней минеральных
веществ.
Подземные воды отличаются значительной чистотой
по отношению к бактериям, так как при прохождении
через почву воды, содержащей бактерии, последние за-
держиваются поверхностными слоями почвы. Так, на-
пример, известно, что даже под компостными кучами
на глубине 30—40 см уже не обнаруживается бактерий.
Подземные воды часто бывают богаты растворён-
ными минеральными веществами и ценятся как лучшая
питьевая вода (ключи, источники).
Наиболее широко для технических и бытовых целей
применяются поверхностные воды водоёмов и водото-
ков. Они наиболее уязвимы для попадания в них раз-
личных загрязнений, поэтому эти воды подвергаются
очистке.
73

Фильтровальная станция — это комплекс гидротех-
нических сооружений водопроводной станции (город-
ского, промышленного, сельского водопровода), выпол-
няющий в системе водоснабжения очистку воды, посту-
пающей из открытых водоёмов. Состав, конструкция и
размеры фильтровальной станции зависят от количе-
ства, качества и назначения очищаемой воды.
Для примера ознакомимся с очисткой воды на стан-
ции большой мощности, снабжающей городскую водо-
проводную сеть (рис. 20).
Рис. 20. Схема фильтровальной станции большой мощности.
В водоприёмник 2 вода проходит через грубые ре-
шётки (с отверстиями 40—50 мм), где задерживаются
крупные плавающие предметы, и через мелкие сита
(100—150 отверстий на 1 см2). Затем она поступает в
насосы первого подъёма 3 и попадает в смеситель 4, где
подвергается хлорированию для удаления органических
примесей (доза 3—5 мг/л). Химическая очистка произ-
водится химическими реагентами, вызывающими коагу-
ляцию коллоидных частиц, попадающих в воду ещё в
водоёме. Самый процесс происходит в особом аппа-
рате 5. Раствор коагулянта готовится в специальных
аппаратах, переходит в смеситель и затем смесь пере-
водится в резервуар, где происходит процесс коагуля-
ции. Через некоторое время, когда хлопья укрупнятся,
воду спускают в отстойники 6.
74

Хлопья коагулянта, образовавшиеся в смесителе и
отстойнике, подвергаются фильтрации через фильтры.
Отфильтрованная вода попадает в сборники, а затем
в водопроводную сеть.
Из схемы фильтровальной станции мы подробнее
рассмотрим только некоторые процессы и узлы.
Очистка воды начинается с отстаивания в так назы-
ваемых ковшах-каналах, куда вода попадает из реки.
Ковш (рис. 20, /) заполняется водой. При этом
крупные частицы могут и не попасть в ковш, что облег-
чает дальнейшую операцию по очистке воды.
При длительном стоянии воды в ковше оседает зна-
чительная часть взвешенных частиц. Интересно, что в
течение первых 5—7 дней погибает до 90% бактерий, а
остальные 10% могут жить долгое время. Отстаивание
в течение длительного времени может привести к ухуд-
шению качества воды, что объясняется появлением зна-
чительного количества водорослей, которые, отмирая,
обогащают воду гниющими органическими вещества-
ми, гнилостными бактериями и т. д. Очистка от такого
загрязнения делается более сложной.
Среди всех водопроводных очистных сооружении
большую роль играют фильтры, которые встречаются
двух типов: медленно действующие и быстро действую-
щие. Медленно действующие фильтры, по принципу
своего действия, как бы воспроизводят в улучшенном
виде природные биологические процессы, которые про-
исходят в почве при фильтрации через неё воды. Он»
представляют из себя громадные водоёмы, врытые в
землю, имеющие 2000—4000 м2 поверхности и до 5 м
в глубину. Над водоёмами устраивается сводчатое пе-
рекрытие (рис. 21), закрытое сверху обычно дёрном
для предохранения от замерзания зимой и от нагрева-
ния лучами солнца летом.
На дне фильтра выкладывается слой гравия, затем
слой мелкого песка толщиной до 70 еж (рис. 21). Во-
да поступает сверху, медленно проходит через песок,
собирается в расположенные на дне фильтра трубы,
откуда затем поступает в водопроводную сеть. Скорость
фильтрации не должна превышать 10 см/час. Фильтр на-
чинает давать достаточно чистую воду через некоторое
время, когда на поверхности песка образуется плёнка
из содержащихся в воде взвешенных частиц. Эта плён-
7Е

ка не только задерживает мелкие частицы, но в ней
происходят сложные биологические процессы и про-
цессы минерализации органических веществ. В резуль-
тате этих процессов вода очищается от значительной
части болезнетворных бактерий. Плёнка постепенно
Земля Свод Отдушина для бентиляции
разрастается, уплотняется, и фильтрация замедляется,
поэтому через некоторое время фильтр подвергают чи-
стке (1—2 раза в месяц).
Эффект очистки воды в медленно действующих
фильтрах достаточно хорош, но производительность их
невелика. Для снабжения водой большого города необ-
ходимо занять фильтрами огромные площади. Поэтому
стали применять быстро действующие фильтры. Эти
фильтры характеризуются тем, что они занимают срав-
нительно малую площадь при той же производитель-
ности.
Принцип действия их сходен с медленно действую-
щими фильтрами, т. е. фильтрация происходит через
слой песка, но слой этот (10—12 см) в несколько раз
тоньше, чем в медленно действующем фильтре. На нём
также, прежде чем будет получаться чистая вода,
должна образовываться фильтрационная плёнка.
Быстро действующий фильтр (рис. 22) представляет
собой железобетонный цилиндрический сосуд с двой-
ным дном. На верхнее дырчатое дно насыпается песок.
Вода, подлежащая очистке, поступает сверху, проходит
всю толщу песка и выходит из-под фильтра в распо-
ложенный под ним трубопровод уже чистой. Фильтра-
ция происходит раз в 15 быстрее, чем в медленно дей-
ствующем фильтре. Но и загрязнение фильтра проис-
ходит тоже быстрее, поэтому его нужно промывать
I—2 раза в сутки.
76

Очистка фильтра происходит обратным током чи-
стой воды в продолжение нескольких минут. Одновре-
менно с этим пускается в ход мешалка, способствую-
щая отделению грязи от песка. Грязная вода перетекает
через край жёлоба и по отводной трубе —в сточную
канаву. Изменение направления течения жидкости осу-
ществляется при помощи кранов, как это видно из ри-
сунка 22.
Подвод води/ дл?
промЬбки фипЬтро
Рис. 22. Быстро действующий фильтр.
Один из недостатков быстро действующих фильт-
ров — неполное удаление из воды микроорганизмов.
Поэтому для получения вполне доброкачественной
питьевой воды необходимо подвергать её перед фильт-
рованием предварительной, а после фильтрования —
окончательной химической очистке.
Для предварительной очистки применяют различ-
ные вещества, но чаще всего для этих целей используют
сернокислый алюминий A12(S04)3- Роль сернокислого
алюминия в очистке воды заключается в том, что он
встречается с растворённым в воде бикарбонатом каль-
ция Са(НСОзЬ, в результате чего происходит реак-
ция:
Al2(S04)3-b3Ca(HC03)2 = 2Al(OH)3+3CaS04+6C02
77

Гидрат окиси алюминия нерастворим в воде и на-
ходится в коллоидном состоянии. Постепенно коллоид-
ные частицы укрупняются (коагулируют) и, захва-
тывая мелкие взвешенные частицы, в том числе различ-
ные бактерии, постепенно осаждаются, образуя плёнку
на поверхности песка. Таким образом удаляется боль-
шая часть бактерий, но всё-таки какая-то доля их на-
ходится в воде. Для того чтобы окончательно удалить
бактерии, воду хлорируют. Питьевую воду обеззаражи-
вают только после очистки её от механических и органи-
ческих примесей. Хлор, растворяясь в воде, вступает с
ней во взаимодействие, которое проходит по следующим
стадиям:
С12+Н20 = НС1-ЬНСЮ
НСЮ = НС1 + 0
Выделившийся кислород в атомарном состоянии об-
ладает большой активностью и тотчас же вступает во
взаимодействие с органическими примесями. Эффект
хлорирования зависит от количества внесённого в воду
хлора и времени, в течение которого хлор сохраняется
в свободном состоянии. Практически следует давать
такое количество хлора, концентрация которого после
получасового контакта должна быть не меньше 0,1 мг/л.
Полнота окисления и в связи с этим количество необ-
ходимого хлора зависят от очень многих факторов, как
например степени и характера загрязнения, времени со-
прикосновения, температуры, наличия аммиака и т. д.
После хлорирования вода поступает к потребителю
н должна быть безвредна для организма. Установлено,
что вполне безвредной примесью хлора можно считать
наличие его в воде в количестве 0,3—0,5 мг/л.
Существуют и другие методы обеззараживания во-
ды. Наиболее ценными из них следует считать те, после
которых не остаются вещества, вредно влияющие на
организм человека. Такими методами, которые могут
найти широкое применение в будущем, можно считать
использование ультразвуковых волн, ультрафиолетовых
лучей и т. п.
Населённые пункты и большие города, потребляя
огромные количества воды как для бытовых нужд, так
и для производственных целей, выбрасывают её после
использования в виде сточных вод. Отбросные воды тем
7$

или иным путём попадают в источники, которые снаб-
жают нас водой.
В больших городах и промышленных центрах сточ-
ные воды бывают бытовые и производственные.
Бытовые воды (после мытья посуды, из ванн и бань)
содержат много легко разлагающихся органических
веществ и болезнетворных бактерий. Состав производ-
ственных вод зависит от характера производства. Так,
сточные производственные воды могут быть как ней-
тральными, так и сильно щелочными или сильно кис-
лотными. Кроме того, сточные воды некоторых пред-
приятий содержат ядовитые вещества, которые оказы-
вают отравляющее действие на организмы, живущие в
воде, и зачастую губят в водоёмах всё живое.
Бумажные фабрики, заводы по переработке нефти,
красильные заводы и другие часто спускают в воду рек
производственные воды, богатые нефтью, фенолами и
другими сильно ядовитыми веществами, что часто гу-
бит рыбу, а иногда придаёт рыбе неприятный привкус.
Все виды сточных вод нужно удалять с территории
города или другого населённого пункта.
Вода для технических целей
Как известно, природная вода содержит всегда при-
меси как механические в виде суспензий или коллои-
дов, так и в виде растворённых солей и газов. Кон-
центрация растворённых солей в природной воде срав-
нительно незначительна, поэтому они находятся
преимущественно в виде ионов. Наиболее часто встре-
чаются катионы Na"**, Са4 +, Mg++, анионы Cl~, S04—,
неоз-.
Комбинируя эти ионы, можно считать, что в природ-
ных водах присутствуют следующие соли: Са(НСОзЬ,
Mg(HC03h, CaCl2, MgCl2, CaS04, MgS04, NaCI,
Na2S04.
В природных водах встречаются, правда, в незначи-
тельных количествах ионы N63~"~, N02~~, NH4+,. что ука-
зывает на загрязнение водоёма промышленными сточ-
ными водами. Нередко в природных водах встречаются
соединения двухвалентного (закисного) железа. Повы-
шение содержания их характерно для подземных
вод, где железо главным образом находится в виде
79

бикарбоната Ре(НСОз)2, устойчивого лишь в присутст-
вии больших количеств углекислого газа, удаление по-
следнего из воды приводит к следующей реакции:
Fe(HC03)2=Fe(OH)21 + 2С021
Если через эту воду продуть воздух, то образовавшийся
Fe(OH)2 переходит в Fe(OH)3, который выпадает в
осадок и может быть удалён последующим фильтрова-
нием. Указанным методом часто удаляют соединения
железа из воды, предназначенной для питания паровых
котлов, так как в противном случае происходит обра-
зование накипи.
Соединения кремния присутствуют во всех природ-
ных водах в растворённом или коллоидном состоя-
нии.
Эти соединения становятся особенно вредными при-
месями в связи с широким внедрением котлов высокого
и сверхвысокого давлений, так как в этих условиях
кремниевая кислота обладает способностью к преиму-
щественному переходу в пар и отлагается на лопастях
турбин, вызывая коррозию их.
Растворённые в воде газы, и в особенности кислород
и углекислый газ, вызывают коррозию металла, и по-
этому дегазация является обязательной стадией обра-
ботки питательной воды для паровых котлов.
Вода для питаний паровых котлов
Вещества, присутствующие в природной воде, могут
образовывать в паровых котлах и теплообменниках не-
растворимые отложения, а также могут вызывать кор-
розию стенок котлов и теплообменников — всё это вле-
чёт за собою ухудшение работы и ускорение разруше-
ния материала котлов и других устройств.
Как же образуются отложения в паровых котлах?
При нагревании в котловой воде происходят различ-
ные физико-химические процессы, в результате которых
одни вещества разрушаются, другие образуются. В не-
которых случаях происходит образование труднораст-
воримых веществ, дающих осадки, которые образуют
либо плотные отложения — накипь, либо рыхлый оса-
80

док — шлам, получающийся в результате оседания и
уплотнения взвешенных частиц.
Труднорастворимые осадки могут появляться в ре-
зультате различных процессов. Так, термический рас-
пад бикарбонатов, который может быть выражен урав-
нением.
Са(НСОз)2=СаС03 \ +H20+C021
и даёт малорастворимый карбонат кальция и легко
улетучивающийся при условиях реакции углекислый
газ.
Наоборот, обогащение воды углекислым газом пу-
тём, например, продувания через неё газа, содержащего
ССЬ, сдвигает реакцию в обратную сторону.
Это приводит не только к прекращению разложения
бикарбоната кальция, но также и к частичному раст-
ворению уже выпавшего карбоната кальция (СаСОз).
Труднорастворимые вещества могут образовываться
и в результате взаимодействия растворённых в воде
веществ.
Если в воде присутствуют катионы Са++ и Mg+ + и
анионы ОН-, С03—, S04^~, Р04 , Si03—, то при
некоторых условиях могут получиться такие трудно-
растворимые вещества, как CaC03, CaS04, CaSi03>
Са3(Р04)2, Mg(OH)2, MgSi03, Mg3(P04)2.
В образовании осадка принимают участие и те ве-
щества, растворимость которых уменьшается при по-
вышении температуры, например сернокислого каль-
ция (CaS04).
Вследствие испарения части котловой воды проис-
ходит повышение концентрации раствора, что приво-
дит к образованию осадка.
Выпадение из раствора твёрдых частиц может про-
исходить непосредственно на поверхности нагрева или
охлаждения (в теплообменниках) — это первичный
процесс накипеобразования. Вторичный процесс ха-
рактеризуется тем, что осадок выпадает во всей массе
воды и позднее образуется прочное сцепление с пер-
вичной плёнкой. Вторичный слой чаще всего бывает
более рыхлым.
Накипи могут быть либо с преобладающим содер-
жанием соединений Са + + и Mg++, причём они могут
быть карбонатные с преобладанием карбойата каль-
6 Вода
81

ция СаСОз, сульфатные с содержанием сульфата каль-
ция CaSC>4 до 40—50%, силикатные и смешанные.
Накипи второго рода — «бескальциевые» образуются
при глубоком упаривании воды. В составе этих сили-
катных накипей присутствуют соединения натрия, алю-
миния, железа. В котлах высокого и сверхвысокого
давления образуются отложения, состоящие преиму-
щественно из магнетита Fe304, весьма мало теплопро-
водных.
Наиболее важным свойством отложений является
их теплопроводность, меняющаяся от состава и харак-
тера накипи.
Как же бороться с отложениями в котлах?
В тех случаях, когда накипь и шлам уже образова-
лись, очистка может производиться механически — со-
скабливанием накипи при помощи различных приспо-
соблений. Этот способ требует затраты большого коли-
чества труда, а во многих случаях оказывается непри-
менимым и малоэффективным.
Накипь можно удалить химическим способом, осно-
ванным на способности некоторых веществ раство-
ряться в кислотах. Этот способ особенно эффективен
в случае, когда в состав отложений входят вещества,
легко растворимые в кислотах.
Широко применяется для промывки котлов соляная
кислота концентрации 5—6%.
Химический процесс в этом случае может быть вы-
ражен уравнением:
СаСОз-f 2НС1-СаС12+Н20+С02 f
Применение в этом случае серной кислоты недопусти-
мо, так как в результате реакции будет образовывать-
ся сульфат кальция CaS04, мало растворимый в воде,
поэтому прекращающий доступ кислоты к более глу-
боким слоям осадка. Если же в состав отложений входят
преимущественно (до 70%) окислы железа, то для
промывки котлов пользуются серной кислотой.
Для предохранения стенок котла от разъедания
кислотой к последней добавляют некоторые вещества,
так называемые замедлители коррозии, или ингибито-
ры. Эти добавки не мешают растворению отложений,
но защищают металл от разрушения его кислотой. В
82

качестве ингибиторов применяют различные вещества.
Выбор их зависит от целого ряда условий и требует
изучения вопроса в каждом отдельном случае. Сле-
дует отметить, что и ингибиторы не представляют со-
бой очень надёжную защиту, так как процесс коррозии
замедляется, но не прекращается.
Рассмотренные виды борьбы с отложениями в паро-
вых котлах обладают рядом недостатков, не всегда
эффективны и зачастую дорого стоят, поэтому следует
стремиться к тому, чтобы в котлах вовсе не образовы-
валось накипи. Этот вопрос- может быть в значитель-
ной мере решён в случае применения следующих ме-
тодов:
а) Глубокое умягчение добавляемой в питательную
систему котлов воды и предохранение металла от кор-
розии, продукты которой снова загрязняют уже умяг-
чённые воды.
б) Организация внутрикотловой обработки воды.
Вода, необходимая для питания паровых котлов,
как правило, берётся из открытых водоёмов, и поэтому
первый этап очистки её заключается в том, чтобы осво-
бодить воду от грубо раздробленных, а потом и от мел-
ко раздробленных (коллоидных) частиц. Первая часть
осуществляется примерно так же, как было описано
выше.
Мы несколько подробнее остановимся на удалении
коллоидных частиц. Коллоидные растворы обладают
высокой устойчивостью, так как коллоидные частицы
не способны к самопроизвольному соединению в круп-
ные образования и выпадению в осадок.
Наиболее эффективным способом удаления коллоид-
ных частиц из раствора будет взаимная коагуляция
двух коллоидов. Дело заключается в том, что коллоид-
ные частицы одного раствора заряжены одноимённо и
взаимно отталкиваются, если же этот раствор смешать
с другим раствором, частицы которого заряжены про-
тивоположным знаком, то произойдёт разрядка частиц,
и они могут слипаться, образовывать более крупные ча-
стицы, способные к осаждению.
На практике наиболее часто в виде коагуляторов, т. е.
веществ, способных вызвать коагуляцию природных кол-
лоидов, применяют железный купорос FeS04*7H20,
сернокислый алюминий A^SC^b* 18H20, хлорное
6*
83

железо FeCl3, которые в виде растворов 5—10-про-
центной концентрации вводят в очищаемую воду.
Когда сернокислый алюминий попадает в воду, он
прежде всего подвергается гидролизу:
Al2 (S04)3 + 6Н20 «=> 2А1 (ОН)31 + 6Н+ + 3S04- - ,
в коллоидном
состоянии
в случае использования закисного сернокислого железа
сначала также происходит гидролиз:
FeS04 + 2Н20 <=* Fe (ОН)2 \ + 2Н+ + S04~ "
Коагулирующее действие производит гидрат окиси
железа, поэтому гидрат закиси должен быть окислен в
воде кислородом:
2Fe(OH)2 + 0 + H20 = 2Fe(OH)31
в коллоидном
состоянии
Образовавшиеся коллоидные растворы А1(ОН)3 илк
Fe(OH)3 вызывают коагуляцию природных коллоидов.
Процесс коагуляции отличается высокой степенью чув-
ствительности к условиям, в которых он проводится. На
него оказывает большое влияние реакция среды, доза
коагулятора, температура.
Следует избегать введения избытка коагулянта, так
как это приведёт к накапливанию ионов А1+ + + и Fe+ + *
в котловой воде.
Процессы умягчения воды
Присутствие в воде целого ряда ионов не только
способствует образованию накипи, но отрицательно
влияет на варку пищи и стирку белья.
Вода, содержащая относительно большое количество
ионов Са + + и Mg+ + , называется жесткой.
Устранить вредное действие жёсткой воды можно
её умягчением, которое связано с удалением из неё
катионов кальция и магния путём связывания их с
анионами С03— и ОН—, в результате чего образуются
трудно растворимые соединения углекислого кальция
СаС03 и гидрата окиси магния Mg(OH)2.
84

Анионы С03" " и ОН- вводятся в умягчаемую воду
с различными реагентами — осадителями, в качестве
которых применяют негашёную или гашёную известь,
едкий натр, кальцинированную соду, В зависимости от
состава растворённых веществ перечисленные реагенты
вводятся либо каждый в отдельности, либо в каких-
либо сочетаниях.
При известковании воды происходит удаление ка-
тионов магния и кальция в том случае, если они нахо-
дятся в воде в виде солей бикарбоната кальция
Са(НС03)2, бикарбоната магния Mg(HC03)2, хлорида
магния MgCh, сульфата магния MgS04, а также угле-
кислого газа С02, так как он способствует коррозии
металла котлов и трубопроводов.
Процессы, происходящие в воде в этих случаях,
могут быть выражены такими уравнениями реакций:
Са(НС03)2+Са(ОН)2==2СаС03ф +2Н20
Mg(HC03)2+Ca(OH)2=Mg603j +СаС03ф +2Н20
Mga2+Ca(OH)2=Mg(OH)2 ф +СаС12
MgSQ4+Ca(OH)2=Mg(OH)2 ф +CaS04 ф
С02+Са(ОН)2=СаС03Ф +Н20
Умягчение воды едким натром и содой выражается сле-
дующими уравнениями реакций:
Ca(HC03)2+2NaOH = CaC03 ф +Na2C03 + 2H20
Mg(HC03)2+2NaOH=MgC03 Ф +Na2C03+2H20
MgS04+2NaOH=Mg(OH)2| + Na2S04
CaCl2+Na2C03=CaC03 ф +2NaCl
CaS04+Na2C03=-CaC03 Ф + Na2S04
C02+2NaOH = Na2C03+H20
MgCl2+2NaOH=Mg(OH)2 ф +2NaCl
Иногда целесообразно использовать только едкий
натр, так как в результате реакции образуется некото-
рое количество соды.
Кроме солей магния и кальция, из раствора удаля-
ются углекислый газ и кислород.
85

Углекислый газ удаляется из раствора при умягче-
нии воды. Кислород же приходится удалять другими
способами.
Для обескислороживания воды применяют термиче-
ский способ, основанный на том, что растворимость газов
(в данном случае кислорода) при нагревании раствора
уменьшается. Процесс обескислороживания может про-
исходить при обычном давлении или в вакууме.
Можно производить обескислороживание и химиче-
ским путём. Для этих целей используют сульфит нат-
рия Na2S03, который при взаимодействии с кислородом,
растворённом в воде, даёт:
2Na2S03+02=2Na2S04
Сульфит натрия подаётся в воду в виде 3—6 процент-
ного раствора при помощи особых дозаторов, обеспечи-
вающих отсутствие соприкосновения раствора с наруж-
ным воздухом. Недостаток этого способа заключается в
том, что увеличивается количество растворённого веще-
ства в виде сульфата натрия.
В современных условиях освобождение от ионов,
как катионов, так и анионов, осуществляется при по-
мощи особых веществ—ионитов, получаемых либо искус-
ственным путём из минерального сырья, как например
пермутит1, либо синтезом, из органических веществ.
Наиболее широкое применение в подготовке воды для
электрических станций получил катионит сульфо-уголь.
Сульфо-уголь получается в результате обработки
каменного угля олеумом (раствором серного ангидрида
в серной кислоте). Входящий в состав сульфо-угля
ион натрия способен замещаться на ионы кальция и
магния, благодаря чему происходит умягчение исход-
ной воды. Состав катионита будем обозначать NaR,
где R— его сложная составная часть. Процесс, нося-
щий название катионного обмена, может быть выражен
следующими уравнениями реакций:
Ca(HC03)2+2NaR = CaR2+2NaHC03
CaS04+2NaR=CaR2+Na2S04
1 Термин «пермутит» происходит от латинского слова permute—
обменивать, получается он из каолина и нефелина.
S6

Совершенно аналогично пойдут процессы с солями
магния. Таким образом, в результате рассмотренного
процесса карбонатная жёсткость воды переходит в на-
триевую щёлочность. Анионный состав воды не изменя-
ется, так как присутствующие в ней анионы С1— и
Sb4" остаются.
Вполне понятно, что катионит постепенно обогаща-
ется ионами Mg++ и Са++ и наступает момент, когда
ионный обмен должен прекратиться. Для восстановле-
ния способности катионита умягчать воду через его
слой пропускают раствор хлористого натрия (NaCl).
Происходит ионный обмен, но в обратном направле-
нии по сравнению с тем, как это имело место при
умягчении воды:
CaR2+2NaCl=2NaR+CaCl2
MgR2+2NaCl=2NaR-t-MgCl2
Этот процесс регенерации позволяет многократно ис-
пользовать катионит для умягчения воды.
При помощи ионитов можно производить обессоли-
вание воды и, таким образом, получать чистую (дис-
тиллированную) воду.
Полное обессоливание воды осуществляется в ре-
зультате двух процессов:
1. Перевод солей в кислоты фильтрованием воды че-
рез ионит HR, катионом которого служит водород.
2. Фильтрование через анионит МОН или (М)2СОз,
где анионами будут ОН-, С03—, НС03-.
Первый процесс называется водородкатионирова-
нием и может быть выражен такими уравнениями реак-
ций:
Ca(HC03)2+2HR = CaR2+2C02t +2H20
CaS04 + 2HR = CaR2+H2S04
CaCl2+2HR = CaR2+2HCl
Аналогично протекают реакции с солями магния. Мы
видим, что в растворе остаются кислоты H2S04 и HC1
или из раствора удаляется углекислый газ при наличии
в воде карбонатов.
Воду, полученную в результате водородкатиониро-
вйния, фильтруют через анионит, где и происходит за-
а?

мена анионов кислот обменным анионом, что можно
выразить следующими уравнениями реакций:
2MOH + H2S04= (M)2S04+2H20
МОН + НС1=(М)С1 + Н20
При другом обменном анионе:
M2C03+H2S04=M2S04 + C02+H20
Использованный анионит подвергают регенерации
растворами соответствующих щелочей и солей, как
NaOH, Na2C03, NaHC03.
Одновременно следует отметить, что иониты имеют
широкое применение не только для очистки природной
воды, но во многих других случаях, где требуется уда-
лить или понизить содержание какого-либо иона в
растворе.
Рассмотрим ещё один вопрос — это обескремнива-
ние воды. Кремниевая кислота, присутствующая в воде,
недостаточно полно удаляется при помощи рассмотрен-
ных ранее методов обработки воды. В процессах коагу-
ляции и известкования удаляется около 50% кремние-
вой Кислоты; в то же время при сверхвысоких темпера-
турах, применяемых в технике, кремниевая кислота
выносится с парами и способствует коррозии отдель-
ных частей паровых турбин.
Наиболее часто применяемый способ обескремни-
вания воды заключается в том, что воду в отстойниках
обрабатывают одновременно окисью кальция (СаО) и
окисью магния (MgO). Известь играет здесь обычную
роль, а обескремнивание происходит благодаря тому,
что образуется гидрат окиси магния, который активно
адсорбирует на своей поверхности кремниевую кисло-
ту, образуя с нею позднее труднорастворимый' силикат
магния.

Цена 11 коп.