Вода

Вода. Хотя не подлежит сомнению, что первенствующее значение воды в жизни всей природы издавна было известно человечеству, тем не менее, истинный химический состав воды стал известен всего только 130 лет тому назад, когда опытным путем Кавендишу и Уатту удалось получить воду сжиганием водорода в воздухе. Этот опыт показал, что вода (Н₂O) представляет окись водорода; в химически чистом виде она может быть получена только в лаборатории либо тем же синтетическим путем, либо дистилляцией обыкновенной воды. Химически чистая вода обладает наибольшей плотностью при +4°С; если принять эту плотность за единицу, то удельный вес воды при 0° равен 0,999863. Это объясняет, почему лед легче воды, а также, почему вода при замерзании увеличивается в объеме; разрушающее влияние воды на каменные породы, имеющее такое большое значение в жизни природы, тоже обусловливается этим. Температура кипения воды находится в зависимости от давления; при обыкновенном атмосферном давлении вода кипит при +100°С; с понижением давления температура кипения тоже понижается.

При испарении воды происходит поглощение тепла, и из всех тел вода обладает наибольшей теплоемкостью; если принять теплоемкость воды за единицу, то теплоемкость железа всего 0,113, серебра 0,057, спирта винного 0,672, нефти 0,5 и т.д. Точно также весьма значительна и скрытая теплота испарения воды; чтобы нагреть 1 килограмм воды с 0° до 100°С, надо затратить 100 калорий, или тепловых единиц, а чтобы превратить его в пар, при нормальном давлении надо затратить еще 537 калорий. Этот килограмм воды, превращенный в пар, занимает объем, в 1 243 раза больший, чем вода. При температуре около 1 000°С, а также и под влиянием электрического тока, вода разлагается на свои составные части: водород и кислород.

Вообще говоря, всякая вода, встречающаяся в природе, не чиста. Все природные воды могут быть отнесены к двум большим группам: метеорных вод, образующихся вследствие конденсации влаги, всегда находящейся в воздухе, и теллурических вод, к которым относятся вода ключей, колодцев, рек, озер, морей и т.п. Процесс превращения теллурических вод в метеорные и обратно идет в природе непрерывно, так как испарение воды на земле и конденсация ее из воздуха в виде росы, дождя, снега, града и т.п. идет непрерывно под влиянием солнца. Метеорные воды сравнительно более чисты, но все же они всегда содержат большую или меньшую примесь растворенных веществ (в литре обыкновенно от 20 до 36 миллиграммов): 1) газов: кислорода, азота, углекислоты и др.; 2) минеральных веществ, содержащихся в особенности в больших количествах в метеорных водах вблизи морей: хлористых, сернокислых и азотнокислых солей аммиака, щелочей и щелочноземельных металлов, частичек песка, глины и т.п., а также 3) и органических, организованных (микроорганизмов и зародышей их) и неорганизованных веществ. Именно содержание органических веществ обусловливает сравнительно малую стойкость метеорных вод при их сохранении, а содержание в них аммиака и азотнокислых солей обусловливает большее или меньшее, в зависимости от количества падающих атмосферных осадков, плодородие почвы. Метеорные воды, просачиваясь через толщу земли, насыщаются растворимыми в них органическими и минеральными веществами и превращаются в теллурические воды. В зависимости от грунта они содержат в преобладающем количестве те или другие вещества; вода, падающая на солончаковую почву, содержит много хлористых солей, на известковую - много известковых и магнезиальных солей, на торфяную почву, богатую перегнойными веществами, - много гумусовых кислот. Количественное содержание всех этих веществ изменяется в очень широких пределах. Вода, содержащая значительное количество известковых и магнезиальных солей, называется жесткой водой и непригодна для очень многих целей. В обыденной жизни очень жесткая вода непригодна потому, что в ней плохо развариваются овощи и мясо, она обусловливает излишний непроизводительный расход мыла, вследствие образования нерастворимых пластыреобразных известковых и магнезиальных солей жирных кислот. Такая вода мало пригодна и для питья, а также и в большинстве химических производств: мыловаренном, красильном, кожевенном и некоторых других. Большая или меньшая жесткость воды выражается обыкновенно в градусах, причем одним градусом жесткости в Германии называется содержание одной части окиси кальция в 100 000 частях воды; во Франции содержание одной части углекальциевой соли в том же количестве воды; в Англии одной части углекальциевой соли в 70 000 частях. Поэтому один немецкий градус равен 1,25 английского и 1,79 французского. Жесткость воды определяется всего проще мыльным раствором. Мыло осаждает известковые и магнезиальные соли, и до тех пор, пока вся известь и магнезия не будут осаждены, прочной мыльной пены, не пропадающей даже по прошествии пяти минут, не образуется. Таким образом, если известен титр или крепость мыльного раствора, то очевидно, что по количеству израсходованного мыльного раствора можно судить о большей или меньшей жесткости воды. Мыльный раствор, каждый кубический сантиметр которого отвечает одному немецкому градусу жесткости, приготовляется всего проще, если исходить из химически чистой олеиновой кислоты. Для приготовления его растворяют в литре винного спирта 10,08 граммов олеиновой кислоты и нейтрализуют их раствором едкого кали до средней реакции.

Мягкая речная вода встречается по преимуществу в тех местах, почва которых содержит мало растворимых в воде минеральных веществ. Такие воды, в особенности на севере, характеризуются присутствием в них значительного количества перегнойных кислот (вода кажется окрашенной в бурый или даже черный цвет); известковые соли этих кислот нерастворимы в воде, вследствие чего в жестких водах гумусовые кислоты в большинстве случаев отсутствуют. В финляндских реках, по данным Аскана, в каждых 100 литрах воды в среднем содержится 1 986 г органических, главным образом гумусовых кислот. В год, по его расчету, все финляндские реки уносят в море до 1 400 000 000 килограммов гумусовых веществ.

Морская вода представляет типичный пример соленой воды, содержащей в преобладающем количестве хлористые соли. Обыкновенно в ней содержится от 20 до 30 г на литр хлористого натрия, или поваренной соли, 1-2 г гипса и от 2 до 3 г хлористого магния.

Как жесткие, так и соленые воды малопригодны для питания паровых котлов; первые обусловливают образование накипи на стенках котла, вторые кроме образования накипи нередко разъедают еще стенки котла. Наиболее вредно действует сколько-нибудь значительное содержание хлористой магнезии, которая под влиянием пара разлагается с образованием свободной соляной кислоты. Вредное действие накипи, осаждающейся на стенках котлов при употреблении жесткой воды, заключается в том, что при этом сильно понижается коэффициент полезного действия топки и является опасность взрыва. Опытом установлено, что слой накипи в ¹/₆ дюйма увеличивает совершенно непроизводительно расход топлива на 16%, слой в ¹/₄ дюйма на 50%, а слой в ¹/₂ дюйма на 150%. Особенно вредно образование накипи в паровозных котлах; при употреблении хорошей, мягкой воды паровоз может сделать пробег без чистки до 1 500-2 000 миль, при плохой воде только 300-400 миль. Поэтому очень часто приходится прибегать к химической очистке воды с целью удалить из нее накипеобразователи (соли извести и магнезии), что достигается прибавкой к воде, в зависимости от ее состава, тех или других реагентов: извести, соды, щелочей, хлористого бария и т.п. Чаще других употребляются именно сода и известь; первая выделяет из воды гипс, вторая (в виде слабого известкового молока или известковой воды) - двууглекислые соли кальция и магния. Выделяющиеся под влиянием реагентов из воды нерастворимые соли удаляются либо отстаиванием в особого устройства механических отстойниках, либо фильтрацией через фильтр-прессы. Систем очистителей и приемов работы предложено множество; если вода перед очисткой прогревается, то расход на реагенты значительно сокращается. Необходимо кроме того помнить, что прибавка тех или других реагентов, в том или другом количестве, должна находиться в строгом соответствии с химическим составом воды; если это обстоятельство не принимается во внимание, то эффект очистки в большинстве случаев крайне сомнителен. Часто с целью если не устранить, то уменьшить накипеобразование, прибегают к частой продувке котла, покрыванию его стенок минеральным жиром или к прибавке к воде различных химических веществ, так называемых антинакипей, долженствующих устранить образование плотной накипи. Для этой цели предложены вещества, действующие как механически (обусловливая разрыхление накипи), например: глина, тальк, толченое стекло, различного рода крахмалистые вещества (даже картофель), так и химически, причем в состав антинакипей чаще всего вводятся растворы дубильных веществ, отвары различных деревьев (например, кампеша), сахаристые вещества, глицерин, силикат, сода, щавелевые соли и т.п. Некоторые из этих веществ в том или другом случае оказывают полезное действие, но универсальное средство, рекомендуемое нередко для всякой воды, с химической точки зрения представляется невозможным. Антинакипи обыкновенно прибавляются непосредственно в котел.

К воде, употребляемой для домашних надобностей, питьевой воде, предъявляются уже, конечно, гораздо более строгие требования, чем к воде, употребляемой для промышленных целей. По Фишеру питьевая вода 1) должна быть совершенно прозрачна, бесцветна и без всякого запаха; 2) температура ее должна колебаться только в незначительных пределах 6-12°С; 3) она должна содержать очень немного органических веществ и совершенно не содержать патогенных и поддерживающих гнилостное брожение микроорганизмов; 4) в ней не должно содержаться аммиака и азотистой кислоты и могут содержаться только в незначительных количествах азотные, сернокислые и хлористые соли; 5) жесткость ее не должна превышать 18 градусов, и в ней не должно содержаться много гипса или магнезиальных солей. Так как хорошая питьевая вода встречается далеко не везде, то ее тоже приходится часто исправлять или очищать. В домашнем быту очень распространен простейший прием очистки воды фильтрацией, причем фильтрующей средой является древесный уголь, особенным образом приготовленная асбестовая ткань, смесь асбеста с древесной массой, обожженная не глазурованная фарфоровая масса (Шамберлановский фильтр), прокаленная инфузорная земля (Беркефельдовский фильтр) и т.п. Все эти фильтры могут работать только в течение определенного времени; затем поры их заполняются, они уже не удерживают микроорганизмов и их необходимо очистить прокаливанием или заменить новыми. Механическое устройство домашних фильтров очень разнообразно; некоторые из них хорошо работают только под давлением.

Для водоснабжения городов и больших промышленных предприятий употребляются массивные песочные фильтры, сделанные из цемента. Фильтрующим слоем являются положенные один на другой слои крупного гравия, мелкого гравия и речного песка. Чем большее количество взвешенных частиц содержит вода, чем эти частицы мельче и чем крупнее фильтрующий материал, тем медленнее должно происходить процеживание. Скорость фильтрации находится также в зависимости от состава воды. Слой воды на поверхности песка держится не больше ¹/₂ метра. Фильтрация через песок, кроме удаления механических примесей, имеет также очень большое значение в смысле очистки воды от микроорганизмов. Однако, чтобы песочный фильтр хорошо работал в этом отношении, он должен достигнуть «спелости», то есть на поверхности его должен осесть слой из мельчайших взвешенных веществ, состоящих из минеральных, органических и организованных веществ (бактерий, водорослей, растений и т.п.). С течением времени толщина этого слоя все увеличивается, вследствие чего фильтр засоряется и приходится менять верхний слой песка. Песок для верхнего слоя употребляется тщательно просеянный (величина зерна 0,5-1 m/m) и промытый. При внимательном наблюдении эти фильтры работают хорошо и почти начисто удаляют все микроорганизмы, но для этого необходимо заботиться, чтобы фильтрующий слой был достаточен и чтобы скорость течения воды не была чересчур большой (не больше 125 m/m в час). Зимой, вследствие частичного замерзания песчаного слоя, возможны прорывы, а, следовательно, и проход плохо процеженной воды. Для массовой очистки воды в Германии применяются асбестоцеллюлозные фильтры системы Пифке.

Для очистки жесткой питьевой воды применяются также химические методы, чаще всего известью, причем осевшие известковые, кальциевые и магнезиальные соли удаляются либо отстаиванием, либо процеживанием. Нередко сама по себе чистая вода многих рек несет, однако, в большом количестве взвешенные вещества, то есть она мутна; осветление ее производят, прибавляя к воде в достаточном и необходимом количестве те или другие соли: квасцы, железный купорос, марганцевые соли и т.п. Чаще других употребляются эквивалентные количества сернокислого глинозема и извести; образующиеся при этом два осадка, гидрат глинозема и гипс, увлекают на дно взвешенные в воде вещества. Удаление железа из питьевой воды достигается аэрацией (пропусканием воздуха) и последующей фильтрацией, причем удаляются осевшие гидрат окиси железа и углекислое железо.

Озонизация питьевой воды тоже получила большое практическое значение. Вода из реки Таунус, поступающая в водопроводы Висбадена, вся подвергается озонизации. Принцип работы состоит в том, что воздух озонизируется (обыкновенно до содержания 1 г озона в 1 куб. метре) и пропускается в стерилизационной башне навстречу воде. По данным профессора Проскауэра, все патогенные микроорганизмы быстро погибают в озонизированной воде. Такое же стерилизующее действие на воду оказывают и фиолетовые лучи света; на этом основано применение к очистке питьевой воды ламп «Увиоль».

Несомненно, что перегонка или дистилляция воды представляет тоже один из наиболее совершенных приемов очистки воды. Дистиллированная вода употребляется в медицине, в лабораториях и еще сравнительно редко в общежитии.

Сточные воды различных фабрик и заводов, а также твердые и жидкие отбросы человеческих общежитий, поступающие без предварительной очистки в реки и другие общественные водоемы, представляют серьезную опасность с гигиенической точки зрения. Все эти сточные воды содержат большее или меньшее количество легко разлагающихся органических веществ, углеводов, жиров, белков, а также большое, иногда даже огромное количество микроорганизмов, притом нередко болезнетворных. Вода и воздух - два основных вещества, чистота которых является существенно важным фактором для здоровья людей: малая смертность в культурных и благоустроенных городах Западной Европы (где, как, например, в Дрездене, она не превышает 14 на 1 000, то есть в 2¹/₃-3 раза меньше, чем в Санкт-Петербурге и Москве) в немалой степени обусловливается теми мерами, которые там принимаются для обезвреживания городских нечистот.

Сточные воды фабрик и заводов чрезвычайно разнообразны по своему химическому составу и в большинстве случаев существенно отличаются от городских сточных вод. Совершенно понятно поэтому, что общего приема очистки сточных вод, приема, пригодного для всякой воды, нет и не может быть; в каждом отдельном случае, в зависимости от состава, наиболее пригоден тот или другой способ. В настоящее время для очистки сточных вод применяются три различных приема работы, имеющих каждый множество модификаций и конструктивных особенностей.

1) Механический, состоящий в отстаивании воды или ее фильтрации;

2) химический, состоящий в обработке сточных вод различными химическими реагентами: известью, хлористыми солями, сернокислым глиноземом, квасцами, сернокислым железом и т.п., причем бывшие в растворе вещества выпадают в осадок; и

3) биохимический или бактериологический, в основе которого лежит очистка воды за счет жизнедеятельности микроорганизмов, применим в особенности для очистки городских сточных вод, со значительным содержанием органических веществ. Бактериальная очистка сточных вод производится или при посредстве полей орошения, для чего, конечно, нужны значительные участки земли, или при помощи бактериальных фильтров. Очищающее действие почвы обусловливается, главным образом, жизнедеятельностью бактерий, которых в 1 г почвы находится в среднем около 800 000, принадлежащих к 40-50 различным видам. При фильтрации органические вещества задерживаются почвой и разрушаются за счет жизнедеятельности этих бактерий, а процедившаяся, очищенная вода собирается дренажными трубами. При подходящей почве, достаточной площади и хорошем уходе этот прием работы дает хорошие результаты, но обходится сравнительно дорого. Бактериальная очистка в бассейнах представляет крупный шаг вперед. Вместо почвы фильтрующей средой является шлак, кокс, битый кирпич и т.п. Эти окислительные бакены нередко соединяются с особого устройства закрытыми сточными ямами, «загнивателями», где очищаемая вода в течение 18-36 часов предварительно подвергается процессу гнилостного брожения. Такого рода прием очистки дает весьма удовлетворительные результаты, как на это уже указывает практика устройства таких очистительных станций в применении к больницам, казармам и т.п. во многих городах (Москва, Екатеринослав, Харьков и др.).

Из химических способов, пригодных для очистки сточных вод со значительным содержанием органических веществ, наибольшего внимания заслуживает способ Роте-Дегенера, состоящий в смешении очищаемой воды с измельченным торфом или бурым углем, с прибавкой той или другой соли (чаще всего железного купороса или сернокислого глинозема); получающийся осадок увлекает содержавшиеся в воде органические вещества. По отделении от избытка воды скопляющийся отстой формуется в брикеты, которые по высушивании представляют хорошее топливо.

Вода находит применение в жизни не только в жидком виде, но также и в виде пара и льда. Введение в большую практику паровых машин, паровозов и пароходов весьма существенно изменило условия человеческого существования. В принципе работа всех паровых двигателей основывается на том, что один литр воды, превращаясь в пар, увеличивается в объеме в 1 243 раза. Именно в этом значительном изменении объема жидкой воды при переходе ее в пар и лежит объяснение громадной двигательной силы пара в соответствующих приемниках, какими являются паровые машины.

В значительных количествах, как в промышленности, так и в общежитии расходуется лед. Распространенное мнение, что при замерзании происходит очистка воды и что лед уже не содержит примесей, - представляется необоснованным. Употребление речного льда с пищей или напитками представляет серьезную опасность, так как в таком льде нередко в значительном количестве содержатся бактерии и среди них могут быть и патогенные. Искусственный лед, приготовленный из перегнанной или очищенной воды, в этом отношении представляет большое преимущество и за границей в громадных количествах готовится на «ледяных» заводах.

Исследование воды производится, конечно, различным образом, смотря по тому, имеют ли в виду определить пригодность воды для питья, для промышленных целей или ознакомиться с составом сточной воды. При определении достоинства питьевой воды наряду с химическим исследованием, должно производиться также и бактериологическое ее исследование.

Жесткость воды, как указано выше, определяется или при помощи мыльного раствора, или же выпариванием насухо определенного объема воды. Если в воде содержится много двууглекислых солей кальция и магния, то жесткость такой воды легко исправляется кипячением, так как при этом углекислота улетает, и углекислые соли выпадают в осадок. Поэтому кипячение определенного объема воды, соединенное с последующим отстаиванием ее по охлаждении, может служить простой пробой, характеризующей воду: чем больше выделяющийся осадок, тем большей временной жесткостью обладает вода.

Определение свободного аммиака, азотистой и азотной кислоты весьма важно для характеристики доброкачественности воды; эти соединения представляют продукты разложения сложных органических веществ, и присутствие их в воде является одним из признаков ее недоброкачественности. Эти определения делаются большей частью при помощи различных цветовых реакций. Большое практическое значение имеет также проба на окисляемость, которая тоже характеризует в воде большее или меньшее содержание органических веществ и выражается большим или меньшим расходом раствора марганцево-калиевой соли до получения постоянного окрашивания. Полезное указание может также дать микроскопическое исследование воды, или, вернее, мути, выделяющейся из воды при отстаивании.

А. Лидов.