Химия окружающей среды Лекция 7 Экология воды

Химия окружающей среды. Лекция 7. Экология воды

Всемирный день воды

Вода - это жизнь, основа всего живого на Земле. Чтобы привлечь внимание к проблеме сохранения и улучшения качества и количества пресной воды для будущих поколений, ежегодно с 1992 года по инициативе ООН 22 марта отмечается Всемирный День водных ресурсов (День воды). В России этот день впервые отмечался в 1995 году.

Вода - загадочная родина жизни Вода - первоисточник жизни. То, без чего невозможна жизнь. Мы никогда не будем иметь больше воды, чем имеем сейчас. Вода — единственная субстанция, которая встречается в природе в трех формах: твердой (лед), жидкой и в виде газа. Вода - это древний универсальный символ чистоты, плодородия и источник самой жизни. Во всех известных легендах о происхождении мира жизнь произошла из первородных вод, женского символа потенции, лишенной формы. Книга Бытия, описывая сотворение мира, использует очень древний образ – оживляющие проникание “духа божьего” к мировым водам, изображаемое (в иудейском оригинале) через метафору птицы, которая высиживает яйцо. Вода могла быть метафорой духовной пищи и спасения, как например в Евангелие от Иоанна (4: 14), где Христос говорит самаритянке: “А кто будет пить воду, которую я дам ему, тот не будет жаждать вовек”. Райский источник, вытекающий из-под Древа Жизни – символ спасения. Воду также сравнивали с мудростью. В психологии она представляет энергию бессознательного и его таинственные глубины и опасности. Неутомимая вода – буддийский символ бурного потока бытия. С другой стороны, прозрачность спокойной воды символизирует созерцательное восприятие

Вода: загадочная родина жизни Уже много веков ученые изучают химическое соединение с незамысловатой формулой Н 20. Казалось бы, о воде все должно быть давно известно, она должна быть изучена вдоль и поперек. Но не тут-то было. «Вода постоянно ставит перед физиками и химиками целые комплексы сложных вопросов» , - так считает, в частности, английский химик Феликс Франке, и к его мнению стоит прислушаться. Франке - автор часто цитируемого семитомного труда о воде - самого объемного за всю историю науки. По сей день существует ряд фундаментальных вопросов, на которые нет ответов: каким именно образом организованы молекулы в жидкости, которой мы утоляем жажду? Почему это вещество ведет себя во многих отношениях настолько аномально? Почему у воды в кристаллическом состоянии, то есть в виде льда, так много «лиц» - если точнее, 15? Почему именно эта простая химическая конструкция играет главную роль во всех биологических процессах, становится «матрицей жизни» ? 5

Вода: загадочная родина жизни Используя весь арсенал средств, ученые пытаются выведать у воды ее тайны: они подвергают ее сильному облучению в мощных электронных потенциалоскопах, сжимают в прессах под чудовищным давлением, пытаются просчитать ее поведение, симулируя различные процессы на компьютере, Если в обычную воду попадет струя специально окрашенной воды, образуется грибообразная структура. На ее шляпке появляется колечко водоворота, которое в ходе дальнейших превращений постепенно утрачивает свою изначальную форму и образует все новые симметричные фигуры. На пятой стадии (большой снимок) водоворот , если смотреть на него сверху напоминает медузу. при этом целой сотне процессоров приходится кряхтеть в течение недель, а то и месяцев. И после всего этого вода продолжает постоянно поражать своих аналитиков. ИССЛЕДОВАТЕЛЯМИ ДВИЖЕТ НЕ СТРЕМЛЕНИЕ ИЗВЛЕЧЬ КОНКРЕТНУЮ ПОЛЬЗУ, НАЙТИ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ, а ЧИСТАЯ любознательность, интерес к веществу, без которого нельзя себе представить жизнь на Земле. Постоянный круговорот воды в атмосфере, гидросфере и земной коре оказывает мощное воздействие на облик планеты - этот нежный элемент способен сносить горы и поглощать острова. 6

Консистенция воды в человеческом организме больше всего напоминает желе Улавливая солнечное излучение, вода помогает поддерживать температуру на Земле в комфортном диапазоне. Мощные морские течения разносят огромные объемы тепла по всей планете - в частности, не дают мерзнуть европейцам, омывая Европу Гольфстримом. И, наконец, вода обеспечивает жизнедеятельность всех организмов: она переносит питательные вещества, собирает и выводит отходы. Чем больше узнают исследователи, тем очевиднее становится, что в жидком состоянии Н 2 О ведет себя совершенно нетипичным образом. «Вода невероятно многолика, этого нет ни у одной другой жидкости» , - говорит ведущий специалист по воде из Дортмундского университета Альфонс Гайгер. Он уже 25 лет погружен в эту мокрую материю и ему чем дальше, тем больше становится ясно, что «мир жидкостей поделен на две части. С одной стороны - вода, а с другой - все остальные субстанции» . Ученые насчитали 40 аномалий, характерных для воды. Они пытаются дать этому объяснения: какие-то кажутся исчерпывающими, некоторые спорными, другие совершенно неудовлетворительными. 7

Физико-химические свойства воды Почему при существующих на Земле условиях температуры и давления, исключая полярные регионы, вода вообще жидкая? Водородные соединения элементов серы и селена - (H 2 S; H 2 Se) ближайших химических родственников воды точки кипения которых позволяют ожидать, что вода будет испаряться уже при 60°С. К счастью, для того, чтобы выкипеть, воде нужна температура на 160°С выше. Иначе на Земле не было бы океанов, это была бы голая пустынная планета. Почему при замерзании она расширяется на 11%, может при этом взорвать бутылку с минералкой, прогрызает скалы и здания? Тогда как другие вещества при переходе в кристаллическую форму становятся плотнее и сжимаются, вода демонстрирует свою наибольшую плотность при 4°С. Небольшая эксцентричность с далеко идущими последствиями: благодаря тому, что лед легче холодной воды, он плавает на поверхности морей, рек и озер и позволяет сохранить жизненное пространство рыбам и другим живым организмам. Почему холодная вода при повышении давления становится более жидкой, иными словами, почему уменьшается ее вязкость? «Нормальные» жидкости ведут себя противоположным образом: они становятся более вязкими, когда их частицы сильно сжимаются. 8

Вода. Сложное поведение субстанции Вода - единственное вещество, которое встречается на Земле в естественном состоянии во всех трех видах: твердом, жидком и газообразном. Сложное поведение этой субстанции определяется строением ее молекулы. Молекула Н 2 О. В молекуле воды атомы водорода (белые) и атом кислорода (красный) находятся друг к другу под углом в 104º. Кислородное ядро притягивает к себе отрицательно заряженные электроны, а водород – положительно заряженные. Помимо этого остается пара отрицательно заряженных электронов кислорода, которые свободно носятся в пространстве молекулы. 9

Вода. Сложное поведение субстанции Водородный мост. За счет своей электрической полярности две молекулы могут вступать между собой в особую связь: положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, образуя водородные мосты (прерывистые зеленые линии). Эта связь в 20 раз слабее той, которая соединяет водород и кислород внутри молекулы, но в 60 раз превосходит силу обычного притяжения между молекулами – так называемую силу Ван-дер-Ваальса. В структуре водородных мостов причина главных аномалий Н 2 О. 10

Вода. Сложное поведение субстанции Н 2 О- жидкость С точки зрения статистики, в жидком состоянии частицы воды образуют три с половиной водородных моста со своими соединениями. Эти мосты рушатся и выстраиваются вновь с периодичностью в одну биллионную миллисекунды. Особая клейкость молекулы оказывается причиной того, что Н 2 О остается жидкой при экстремальной tº в 100ºС. Химически родственные материалы в этом смысле переносят максимум 25 ºС жару. 11

Вода. Сложное поведение субстанции Водяной пар В газообразном состоянии молекулы воды освобождаются друг от друга и пускаются в одиночное странствие Лишь изредка их отдельные элементы соединяются на лету друг с другом. Превращаясь в пар, вода проглатывает огромное количество энергии - 2258 Дж/г (для сравнения: в случае с этанолом это 854 Дж/г. При конденсации эта энергия снова высвобождается. Именно по этой причине водяным паром можно сильно обжечься. 12

Вода. Сложное поведение субстанции Лед Ih Лед, дрейфующий в морях и океанах – один 15 известных на сегодня видов кристаллического состояния воды, причем встречающийся на Земле чаще других. Молекулы располагаются таким образом, что у каждого элемента по четыре соседа, с которыми она соединена водородными мостами (пунктирные линии). В результате образуется решетка, основание которой, как показывает уменьшенный вид сбоку, - это образованный из атомов кислорода (красные) шестиугольник. В сокращении Ih буква h как раз и означает «шестиугольный» (гексагональный).

Вода. Сложное поведение субстанции. Лед Х Под увеличенным в 600 000 раз давлением земной атмосферы молекулы воды так тесно прилегают друг к другу, что различие между водородными мостами и обычными химическими связями полностью стирается. Лед Х обладает наибольшей плотностью среди всех известных кристаллических форм Н 2 О (2, 51 г на кубический сантиметр). Пока сохраняется давление, он остается твердым даже при температуре в 500ºС. Уменьшенный вид демонстрирует, как атомы кислорода образуют регулярную прямоугольную структуру. 14

Вода. Сложное поведение субстанции В результате многомесячных подсчетов суперкомпьютеру удалась симуляция того, как при замерзании из хаоса образуется порядок. Поначалу частички Н 2 О носятся друг за другом как ошпаренные. Рисунок 1: прозрачные трубки символизируют водородные мосты). Затем возникает кристаллическое ядро (справа на рисунке 2). 15

Вода. Сложное поведение субстанции. В результате многомесячных подсчетов суперкомпьютеру удалась симуляция того, как при замерзании из хаоса образуется порядок. Затем возникающее кристаллическое ядро растет (рисунок 3). В конце концов почти все молекулы воды находят свое место в регулярной сетке (рисунок 4). 16

Вода. Сложное поведение субстанции. Целая лаборатория для пригоршни воды. В берлинском электронном синхротроне Bessy H 2 O просвечивают с помощью интенсивного рентгеновского излучения. Крохотные пробы воды помещены в сложный стальной аппарат, стоящий перед письменным столом. 17

Консистенция воды в человеческом организме больше всего напоминает желе Белки же, в свою очередь, сами видоизменяют воду. Недавно ученым удалось доказать это с помощью рентгеновского нейтронного излучения и компьютерного моделирования. Как выяснилось в ходе экспериментов, два-три слоя молекул Н 2 О на поверхности белков ведут себя весьма необычно. Они примерно на 10% плотнее сгруппированы и двигаются в два-три раза медленнее, чем «нормальные» частицы воды. НО МОЛЕКУЛЫ Н 20 ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ ТОГО, ЧТОБЫ формировать белковые структуры: без их помощи белки вообще не могли бы функционировать. Сколько же воды нужно одному энзиму, призванному ускорять биохимическую реакцию, чтобы тот начал действовать? Ученые исследовали это в компьютерной модели на примере стафилококковой бактерии. При этом выяснилось, что энзимный механизм запускается, когда частицы воды покрывают 60 -70% поверхности. Для чего же вообще нужна эта жидкая оболочка? Биохимики утверждают, что частицы воды необходимы биомолекуле так же, как машинное масло необходимо двигателю внутреннего сгорания - для смазки. Вода помогает субстанциям попасть в «доки» энзима, где они будут расщеплены, объединены с другими или снабжены придатком. 18

Вода. Сложное поведение субстанции 19

Вода. Сложное поведение субстанции. Структурированное состояние воды оказалось чувствительным датчиком различных полей, особо следует выделить её реагирование на изменение состояния электромагнитного вакуума. Мозг, состоящий на 90% из воды, может изменять структуру вакуума. Наблюдается воздействие людей на свойства воды. Это воздействие бывает настолько мощным, что тестовые микроорганизмы не только прекращают движение, но погибают и даже растворяются в ней. Японский исследователь Масару Эмото (Masaru Emoto) приводит еще более удивительные доказательства информационных свойств воды. За время работы он сделал более 10 000 фотографий, некоторые из них опубликованы в его книгах "The Messages from Water" 1, 2 и "Water knows the answer". Доктор Эмото использовал Анализатор Магнитного Резонанса (MRA) для нескольких функций, включая качественный анализ воды. Он заметил, что никакие два образца воды не образуют абсолютно похожых кристаллов, и что форма кристаллов отражает свойства воды. 20

Великая тайна воды 1. Кристалл дистиллированной воды, не подвергнутый никакому воздействию. 2. Ключевая вода. 3. Антарктический лёд. 4. Так выглядит кристалл воды, прослушавшей «Пастораль» Бетховена. 21

Великая тайна воды 5. Кристалл, образовавшийся после прослушивания тяжелого металлического рока. 6. Кристалл после воздействия слов «Ты — дурак» , очень похож на кристалл после действия тяжелого рока. 7. Слово «Ангел» . 8. Слово «Дьявол» . 22

Великая тайна воды 9. Вода получила просьбу «Сделать это» . 10. Вода получила приказ «Сделай это» . 11. Слова «Ты надоел мне. Я убью тебя» . 12. Вода получала электромагнитные излучения любви и благодарности. 23

Великая тайна воды 24

Великая тайна воды 25

Великая тайна воды 26

Великая тайна воды 27

Великая тайна воды 28

Великая тайна воды 29

Великая тайна воды 30

Великая тайна воды 31

Великая тайна воды 32

Великая тайна воды 33

Великая тайна воды 34

Великая тайна воды 35

Великая тайна воды 36

Великая тайна воды 37

Гидросфера внутри нас Кажется, что наземные организмы в меньшей степени зависят от воды, чем обитатели водоемов. Это совсем не так - любой живой организм на Земле более чем наполовину состоит из воды. У каждого из нас есть своя "гидросфера" - сосудистая система, водный баланс отдельных клеток. У сложных многоклеточных организмов каждая клетка с помощью сложной системы сосудов и межклеточных емкостей омывается внеклеточными жидкостями (кровью, лимфой и др. ), которые доставляют им питательные вещества и уносят шлаки. При нормальных условиях вода постоянно входит и выходит через мембрану клеток и диффундирует из области высоких концентраций различных веществ в область низких. Например, если поместить клетку в концентрированный раствор соли, молекулы которой не проникают через клеточную мембрану, то вода будет выходить из клетки и она съежится. В дистиллированной воде с низкой концентрацией солей возникнут, напротив, потоки воды внутрь клетки: она будет набухать и может лопнуть. Процессы движения любых веществ через клеточную мембрану обязательно сопровождаются перемещениями воды, и от этого напрямую зависит наше здоровье и самочувствие. Но вода в многоклеточных организмах выполняет не только транспортные функции: она является и непременным участником реакций энергетического обмена внутри клетки. 38

Гидросфера внутри нас В процессе фотосинтеза с помощью света происходит образование углеводов из воды и углекислоты. При дыхании с помощью кислорода происходит обратный процесс. Из школьного курса всем известно замечательное уравнение: СО 2 + Н 2 О + свет↔ глюкоза + О 2 В зеленых растениях эта реакция идет слева направо, у животных (в том числе и у человека) - справа налево. Уже в середине XX в. ученым стало ясно, что в основе фотосинтеза лежит сложная последовательность окислительно-восстановительных реакций транспорта электронов между молекулами-переносчиками, погруженными в биологические мембраны. Источником электронов при фотосинтезе у зеленых растений служат молекулы воды. Через биосферу Земли идет постоянный поток энергии от Солнца и кругооборот воды и углекислого газа. В химических лабораториях реакция газообразного водорода с кислородом, при которой образуется вода, весьма взрывоопасна. В живой клетке процесс высвобождения энергии из молекул глюкозы с помощью кислорода при дыхании происходит в несколько стадий, причем на каждой из них выделяется только часть энергии, которая тут же (в доли секунды) аккумулируется молекулами АТФ. Человек испокон веку почтительно относился к воде, особенно высоко ценя ее чистоту. С чистотой воды сравнивали чистоту драгоценных камней ("бриллиант чистейшей воды") и ясность мысли ("как в воду глядел"). Пора и современной цивилизации отказаться от порочного и высокомерного отношения к воде как к полезному ископаемому, а ценить и беречь ее как основу всего сущего на Земле, как великую загадку, как источник душевной услады и покоя и помнить, что именно водный мир Земли связывает воедино жизнь, атмосферу, почву, энергетические процессы в биосфере, обеспечивая их системную устойчивость. 39

«Россия - великая водная держава. Почти четверть мировых запасов питьевой воды сосредоточено в границах нашего государства. Реки России несут десятую часть ежегодного мирового речного стока. При этом население России не достигает и 3% общей численности населения земного шара. Водное изобилие накладывает на нашу страну и особую ответственность перед человечеством за сохранение этого важнейшего природного ресурса. Без участия нашей страны не могут рассматриваться глобальные вопросы, связанные с водопотреблением, состоянием водных ресурсов» Руководитель Федерального агентства водных ресурсов Рустэм Хамитов

Вы слыхали о воде? Говорят, она везде! В луже, в море, в океане И в водопроводном кране. Как сосулька, замерзает, В лес туманом заползает, Ледником в горах зовется, Лентой серебристой вьется Средь высоких, стройных елей, Рушится потоком селей, На плите у вас кипит, Паром чайника шипит, Растворяет сахар в чае. Мы ее не замечаем, Мы привыкли, что вода Наша спутница всегда!