§ 21. Вода в жизни человека

Определения и обозначения

Природная вода — вода из рек, озёр, морей, подземных источников и других природных водоёмов, содержащая растворённые вещества и примеси. В ней встречаются соли, газы, частицы почвы и органические вещества, а их количество зависит от места и условий. Это понятие помогает отличать воду из окружающей среды от химически чистой воды. По составу природная вода может требовать разной обработки перед употреблением.

Пресная вода — вода с относительно небольшим содержанием растворённых солей. К ней относятся многие речные, озёрные и подземные воды, однако их состав неодинаков. Морская вода содержит гораздо больше солей, а сильно минерализованную воду называют солёной. Поэтому пресная вода обычно легче поддаётся подготовке для питья, но всё равно должна быть проверена на безопасность.

Питьевая вода — вода, безопасная для употребления человеком и соответствующая санитарным требованиям. Это не обязательно химически чистая вода: допустимые количества некоторых растворённых веществ могут присутствовать в ней. Требования нужны, чтобы ограничить содержание опасных примесей и микроорганизмов. Оценивать питьевую воду только по вкусу, запаху и прозрачности нельзя.

Жёсткость воды — свойство, связанное прежде всего с наличием в воде растворённых солей кальция и магния. При нагревании некоторые из этих солей образуют накипь, а мыло в жёсткой воде пенится хуже. Жёсткость уменьшают кипячением или специальными способами умягчения, но выбор зависит от состава воды. Это свойство важно учитывать в быту и при использовании воды в технике.

Как это устроено

Вода необходима человеку, потому что в ней протекает множество реакций обмена веществ. Она растворяет и переносит питательные вещества, а также помогает доставлять их к клеткам и удалять продукты обмена. При испарении пота организм теряет тепло, поэтому вода участвует в терморегуляции. Недостаток воды нарушает работу организма, поскольку затрудняет эти процессы и меняет состав внутренней среды.

Природная вода не является химически чистой, поскольку при движении по поверхности и через горные породы она контактирует с разными веществами. Часть солей и газов растворяется, а мелкие частицы могут оставаться взвешенными. В воду также попадают органические вещества из почвы и живых организмов, а иногда — загрязнители. Поэтому даже прозрачный источник может содержать компоненты, которые нельзя определить на глаз.

Главное различие пресной и морской воды — количество растворённых солей: в морской оно намного выше. Из-за солёности морскую воду нельзя безопасно использовать для питья без обработки, удаляющей соли. Пресную воду тоже не следует считать автоматически пригодной: в ней могут быть микроорганизмы или вредные примеси. Если доступен только солёный источник, воду опресняют, например специальными мембранными методами или перегонкой.

Загрязнение воды опасно, потому что вредные вещества и микроорганизмы могут попадать в организм с питьём и пищей. Бытовые стоки несут моющие средства и органические отходы, промышленные предприятия — химические соединения, а сельское хозяйство — удобрения и средства защиты растений. Загрязнители могут отравлять водные организмы и нарушать пищевые цепи. Избыточные питательные вещества, например, способствуют бурному росту водорослей, а их разложение уменьшает количество кислорода в воде.

Подготовка воды начинается с удаления того, что можно отделить физически: отстаивание позволяет крупным частицам осесть, а фильтрование задерживает частицы, оставшиеся в воде. Затем проводят обеззараживание, чтобы уменьшить количество болезнетворных микроорганизмов; в быту для этого используют кипячение. Если проблема заключается в растворённых солях, обычный фильтр и кипячение обычно не решают её: нужны специальные методы, например умягчение или опреснение. На водоочистной станции этапы подбирают по составу исходной воды и санитарным требованиям.

Виды воды, их состав и способы подготовки

Сравнивайте виды воды по двум признакам: количеству растворённых веществ и безопасности для питья. Способ подготовки выбирают не по названию воды, а по тому, какие именно примеси нужно удалить. Например, фильтр для частиц не заменяет опреснение или умягчение.

Разбор задач

Задача 1. Вода содержит песок и растворённую поваренную соль. Нужно выбрать способы разделения смеси и получить отдельно твёрдые примеси и соль. Песок не растворяется, поэтому его можно отделить от солевого раствора фильтрованием. Соль проходит вместе с водой через фильтр, значит, потребуется следующий этап.

1. Сначала пропускаем смесь через фильтр: песок остаётся на фильтре, а раствор соли проходит.
2. Чтобы получить соль, выпариваем воду из фильтрата; после испарения воды остаётся соль.
3. Если нужно собрать и воду, и соль, вместо простого выпаривания применяем перегонку: водяной пар охлаждают и конденсируют.

Ответ: песок отделяют фильтрованием, а соль из раствора выделяют выпариванием. Перегонка позволяет дополнительно собрать воду. Выбор последнего способа зависит от того, нужно ли сохранить воду.

Задача 2. В 2 л природной воды содержится 4 г растворённых солей. Считая плотность воды равной 1 г/мл, найдём массовую долю солей. Массовая доля показывает, какую часть массы раствора составляет растворённое вещество. Поэтому сначала переводим объём воды в массу, а затем делим массу солей на массу всего раствора.

1. Переводим объём в миллилитры: 2 л = 2000 мл.
2. При плотности 1 г/мл масса воды равна 2000 г. Масса раствора приблизительно равна 2000 г, поскольку 4 г соли по сравнению с этой массой мало; точнее, масса раствора равна 2004 г.
3. Считаем долю по точной массе раствора: ω = 4 / 2004 × 100% ≈ 0,20%.

Ответ: массовая доля растворённых солей составляет примерно 0,20%. Если в школьном приближении массой соли в сравнении с массой воды пренебрегают, получают практически тот же результат: 4 / 2000 × 100% = 0,20%. Единицы массы в числителе и знаменателе должны совпадать.

Задача 3. В воде есть механические примеси, микроорганизмы и соли жёсткости. Нужно подобрать порядок обработки так, чтобы каждый этап был направлен на конкретную примесь. Сначала удаляют частицы, чтобы они не мешали дальнейшей обработке. Затем обеззараживают воду и отдельно решают вопрос с солями кальция и магния.

1. Отстаиваем воду, чтобы крупные частицы осели, затем фильтруем её для удаления оставшихся взвешенных примесей.
2. Обеззараживаем воду подходящим способом, например кипячением в бытовых условиях; это уменьшает количество многих микроорганизмов.
3. Для снижения жёсткости применяем умягчение, подобранное по составу воды. Фильтрование и обычное кипячение не следует считать универсальным удалением всех растворённых солей.

Ответ: последовательность: отстаивание, фильтрование, обеззараживание, умягчение. Первые два этапа удаляют механические примеси, третий действует на микроорганизмы, а последний — на соли жёсткости. На практике порядок и набор этапов зависят от анализа воды и применяемой технологии.

Типичные ошибки

Прозрачную природную воду иногда считают химически чистой, потому что в ней не видны частицы. Но растворённые соли и микроорганизмы могут быть незаметны, а значит, прозрачность не подтверждает безопасность. Проверка себя: спросите, можно ли увидеть растворённый газ или соль в чистом растворе. Если нет, внешний вид не заменит анализа и санитарной оценки.

Фильтрование путают с удалением растворённых солей, поскольку после фильтрации вода выглядит чище. Обычный фильтр задерживает главным образом нерастворимые частицы, а растворённые вещества проходят вместе с водой. Чтобы проверить выбор способа, уточните, растворена ли примесь: для песка подходит фильтрование, для соли нужен другой метод. Не делайте вывод о полном составе воды только по её прозрачности.

Кипячение иногда считают универсальной очисткой, потому что нагрев уничтожает многие микроорганизмы. Однако оно не удаляет большинство растворённых солей и не гарантирует устранение всех загрязнителей. Проверить себя можно вопросом: что произойдёт с солью в растворе при обычном кипячении? Вода частично испарится, а соль останется, поэтому для разных примесей нужны разные способы.

Жёсткость ошибочно приравнивают к загрязнённости, хотя это разные характеристики. Соли кальция и магния могут вызывать накипь, но одна лишь жёсткость не показывает, есть ли в воде опасные вещества; мягкая вода тоже может содержать загрязнители. Проверяя себя, разделяйте вопросы о минеральном составе и санитарной безопасности. Для вывода о пригодности питьевой воды нужны соответствующие данные, а не только сведения о жёсткости.

Связь с другими темами

Для понимания способов очистки пригодятся знания о смесях и растворах, растворимости веществ и массовой доле растворённого вещества. Связь с биологией объясняет, почему вода необходима клетке, обмену веществ и поддержанию постоянства внутренней среды организма. Позже эти сведения помогут изучать ионные реакции и соли кальция и магния. Они также связаны с экологическими проблемами и технологиями водоочистки.

Что запомнить

• Вода необходима для всех важнейших процессов жизнедеятельности человека.
• Природная вода содержит растворённые вещества, газы и различные примеси.
• Пресной называют воду с относительно небольшим содержанием растворённых солей.
• Питьевая вода должна быть безопасной и соответствовать санитарным нормам.
• Фильтрование удаляет главным образом нерастворимые примеси.
• Кипячение обеззараживает воду, но не удаляет большинство растворённых солей.
• Жёсткость воды обусловлена солями кальция и магния.