О воде. Крат­ко и научно-​популярно

Се­го­дня по­го­во­рим о воде.

Вода, бес­спор­но, ис­точ­ник жизни на Земле. Че­ло­ве­че­ский ор­га­низм при­мер­но на 70% со­сто­ит из воды. Кровь – около 90%, мозг около 80%.

Вода как ве­ще­ство, как мо­ле­ку­ла, со­сто­ит из во­до­ро­да и кис­ло­ро­да и имеет фор­му­лу Н2О. При этом, со­сто­я­ние воды в нор­маль­ных усло­ви­ях (с точки зре­ния фи­зи­ки) – жид­кое. В этом со­сто­я­нии мо­ле­ку­лы воды свя­за­ны между собой так на­зы­ва­е­мы­ми во­до­род­ны­ми свя­зя­ми. Фи­зи­че­ское по­ве­де­ние воды в прин­ци­пе ин­те­рес­но, у нее есть по­верх­ност­ное на­тя­же­ние, капля воды на плос­кой по­верх­но­сти не рас­те­ка­ет­ся сво­бод­ным слоем, а дер­жит форму по­лу­сфе­ры.

У воды, кроме жид­ко­го со­сто­я­ния, есть еще два (аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства) из­вест­ных – га­зо­об­раз­ное (пар) и твер­дое (лед) и одно мало из­вест­ное – плаз­ма (иони­зи­ро­ван­ный «пар»). И все это в до­воль­но узком диа­па­зоне из­ме­не­ния фи­зи­че­ских ве­ли­чин (тем­пе­ра­ту­ра и дав­ле­ние).  Ин­те­рес­но то, что в твер­дом со­сто­я­нии вода может иметь кри­стал­ли­че­скую струк­ту­ру (т.е. упо­ря­до­чен­ное и по­вто­ря­ю­ще­е­ся рас­по­ло­же­ние ато­мов или мо­ле­кул) и аморф­ное.

Со­сто­я­ние воды и раз­лич­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов (пе­ре­ход из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое) опи­са­но мно­же­ством клас­си­че­ских фор­мул. Кроме того, тем­пе­ра­тур­ная точка фа­зо­во­го пе­ре­хо­да лед-​жидкая вода в шкале Цель­сия при­ня­та за ноль. А пе­ре­ход жидкость-​пар, т.е. ки­пе­ние – за 100 гра­ду­сов. Стоит от­ме­тить, что это для усло­вий нор­маль­но­го дав­ле­ния 760 мм. рт.ст. и чи­стой воды. Если дав­ле­ние из­ме­ня­ет­ся, то из­ме­ня­ет­ся и тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния, на­при­мер, при мень­ших дав­ле­ни­ях, тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды со­став­ля­ет менее 100 С, об этом знают все кто под­ни­мал­ся в горы.  В ва­ку­у­ме вода за­ки­па­ет уже при 30С.

А если вода со­дер­жит соли, то она (хотя уже пра­виль­но го­во­рить не о воде, а о рас­тво­ре) кипит при тем­пе­ра­ту­рах выше 100С.

Вода вполне себе может счи­тать­ся уни­вер­саль­ным рас­тво­ри­те­лем. Она рас­тво­ря­ет почти все в той или иной мере. Во­прос тем­пе­ра­ту­ры, вре­ме­ни и при­сут­ствия ряда дру­гих ве­ществ, спо­соб­ству­ю­щих рас­тво­ре­нию ма­ло­рас­тво­ри­мых. В воде рас­тво­ря­ют­ся все по­ляр­ные со­еди­не­ния, это почти все соли силь­ных кис­лот, почти все что нам нужно для жизни. Бла­го­да­ря этой спо­соб­но­сти воды – рас­тво­рять, рас­те­ния по­лу­ча­ют необ­хо­ди­мые эле­мен­ты, по­то­му что усва­и­ва­ют их в рас­тво­ри­мой форме.

Сам по себе про­цесс рас­тво­ре­ния крайне ин­те­рес­ный, можно ска­зать, ма­ги­че­ский – было твер­дое и вот уже его нет. Рас­тво­ре­ние твер­дых ве­ществ про­ис­хо­дит с уве­ли­че­ни­ем эн­тро­пии, а вот газа – с умень­ше­ни­ем. В воде с ве­ще­ства­ми про­ис­хо­дят самые раз­но­об­раз­ные из­ме­не­ния – они дис­со­ци­и­ру­ют на ионы, об­ра­зу­ют кри­стал­ло­гид­ра­ты, кол­ло­и­ды и пр. По­дав­ля­ю­щее боль­шин­ство хи­ми­че­ских ре­ак­ций про­ис­хо­дят имен­но в рас­тво­рах. Тема на­столь­ко об­шир­ная, что из нее вы­де­ля­ет­ся несколь­ко раз­де­лов и спе­ци­а­ли­за­ций. Также в химии рас­тво­ров су­ще­ству­ет в на­сто­я­щее время несколь­ко тео­рий, две ос­нов­ные – хи­ми­че­ская и фи­зи­че­ская, опи­сы­ва­ю­щая про­цес­сы несколь­ко по раз­но­му.

Если мы го­во­рим о при­род­ной воде, ко­то­рая нас окру­жа­ет, то мы под­ра­зу­ме­ва­ем рас­твор. Все­гда. В этом рас­тво­ре, при­сут­ству­ют раз­лич­ные ми­не­ра­лы, ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства и газы.  Ми­не­ра­ли­за­ция воды в при­ро­де при­сут­ству­ет в очень ши­ро­ком диа­па­зоне:

По сте­пе­ни ми­не­ра­ли­за­ции при­род­ные воды под­раз­де­ля­ют на 4 груп­пы:

- прес­ные (0 – 1,0 г/кг);

- со­ло­но­ва­тые (1,0 – 25 г/кг);

- со­ле­ные (25 – 100 г/кг);

- рас­со­лы (> 50 г/кг).

Самые прес­ные воды это ко­неч­но воды с лед­ни­ко­вых ис­точ­ни­ков (вообще-​то это по­нят­но, в снеге очень мало ми­не­ра­лов, ведь он об­ра­зу­ет­ся в след­ствии ис­па­ре­ния воды, а соли не ис­па­ря­ют­ся) и воды прес­ных рек в рай­оне эк­ва­то­ра. Во­об­ще, боль­шин­ство рек имеет ми­не­ра­ли­за­цию от 10 до 100 мг/л.

Вода, ко­то­рую мы пьем ре­гу­ляр­но – прес­ная. Счи­та­ет­ся, что оп­ти­маль­но пить воду каж­дый день с низ­кой ми­не­ра­ли­за­ци­ей, т.е. с со­дер­жа­ни­ем солей при­мер­но от 40 до 300 мг/литр. Несмот­ря на то, что к сто­ло­вым водам от­но­сят­ся воды с ми­не­ра­ли­за­ци­ей до 1000 мг/л. Но тут важно смот­реть со­став, если это соли каль­ция и маг­ния, то вряд ли вкус воды будет хо­ро­шим, это так на­зы­ва­е­мая в быту «жест­кая вода».

К лечебно-​столовым и ле­чеб­ным водам, ко­то­рые для про­сто­ты на­зы­ва­ют  в быту «ми­не­рал­ка» от­но­сит­ся вода с ми­не­ра­ли­за­ци­ей выше 1000 мг/л.

Ми­не­раль­ный со­став воды очень и очень раз­ли­чен и на­пря­мую свя­зан с ис­точ­ни­ком про­ис­хож­де­ния. У ми­не­раль­ных ле­чеб­ных и лечебно-​столовых вод, есть своя от­дель­ная хи­ми­че­ская клас­си­фи­ка­ция – гид­ро­кар­бо­нат­ные, хло­рид­ные,  суль­фат­ные, на­три­е­вые, каль­ци­е­вые, маг­ни­е­вые, сме­шан­ные. Также су­ще­ству­ют дру­гие клас­си­фи­ка­ции:

- клас­си­фи­ка­ция ми­не­раль­ных вод в за­ви­си­мо­сти от га­зо­во­го со­ста­ва и на­ли­чия спе­ци­фи­че­ских эле­мен­тов:

уг­ле­кис­лые (кис­лые), суль­фид­ные (се­ро­во­до­род­ные), бро­ми­стые, йо­ди­стые, мы­шья­ко­ви­стые,

же­ле­зи­стые, крем­ни­е­вые, ра­дио­ак­тив­ные (ра­до­но­вые)

- клас­си­фи­ка­ция ми­не­раль­ных вод в за­ви­си­мо­сти от кис­лот­но­сти:

ней­траль­ные рН 6,8—7,2, сла­бо­кис­лые рН 5,5—6,8, кис­лые 3,5—5,5, силь­но­кис­лые 3,5 и менее,

сла­бо­ще­лоч­ные 7,2—8,5, ще­лоч­ные 8,5 и более.

Т.е. можно вы­брать воду по вкусу и по на­зна­че­нию. Глав­ное пом­нить, что ряд со­еди­не­ний может пе­ре­хо­дить из рас­тво­ри­мой формы в нерас­тво­ри­мую и ре­а­ги­ро­вать с друг дру­гом при уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры. Это зна­чит, что за­ва­ри­вать чай и го­то­вить лучше на воде низ­кой ми­не­ра­ли­за­ции и уж точно без вы­со­ких со­дер­жа­ний кар­бо­на­тов, каль­ция и маг­ния. Иначе мы имеем на­ки­пи на на­гре­ва­тель­ных эле­мен­тах. И не сек­рет, что со­став воды от­ра­жа­ет­ся на вкусе раз­лич­ных блюд.

Со­вре­мен­ная про­мыш­лен­ность для умень­ше­ния ми­не­ра­ли­за­ции (вплоть до прак­ти­че­ски пол­но­го уда­ле­ния всего по­сто­рон­не­го) пред­ла­га­ет раз­но­об­раз­ные спо­со­бы:

- филь­тра­ция

- сорб­ция

- ионо­об­мен­ные смолы

- об­рат­ный осмос

- ди­стил­ля­ция

Об­рат­ный осмос сей­час яв­ля­ет­ся ос­нов­ным спо­со­бом под­го­тов­ки воды в бу­тыл­ках. При необ­хо­ди­мо­сти вода ми­не­ра­ли­зу­ет­ся нуж­ным об­ра­зом, вклю­чая по­пу­ляр­ную до­бав­ку фтора. Кроме очист­ки воды от ми­не­ра­лов, она под­вер­га­ет­ся обез­за­ра­жи­ва­нию раз­лич­ны­ми спо­со­ба­ми (хло­ри­ро­ва­ние, озо­ни­ро­ва­ние и УФ – ос­нов­ные). Ми­не­раль­ный со­став любой при­род­ной воды можно под­де­лать. Во­об­ще, вода яв­ля­ет­ся самым про­да­ва­е­мым и самым под­де­лы­ва­е­мым то­ва­ром в мире. Т.е. по­ку­пая какую-​то воду, на­при­мер, Ка­ра­чин­ская сква­жи­на номер N, вы вряд ли смо­же­те об­на­ру­жить и до­ка­зать что она не из этой сква­жи­ны, если опи­рать­ся толь­ко на дан­ные мик­ро­эле­мент­но­го со­ста­ва. На что еще опи­рать­ся – об этом ниже.

Наше здо­ро­вье на­пря­мую свя­за­но с ка­че­ством по­треб­ля­е­мой воды, по­это­му важно уде­лять этому по­вы­шен­ное вни­ма­ние. Вода из ма­га­зи­на может быть из­го­тов­ле­на недоб­ро­со­вест­ным про­из­во­ди­те­лем, а также со­дер­жать вред­ные ор­га­ни­че­ские ве­ще­ства из пла­сти­ка – фта­ла­ты и пр. Вода из во­до­про­во­да также может быть не ка­че­ствен­ной, при­чем если она со стан­ции во­до­очист­ки вышла при­ем­ле­мой, не факт что она дошла до крана в той же кон­ди­ции ибо она про­хо­дит дол­гий путь по ком­му­ни­ка­ци­ям, часто уста­рев­шим, если вы хоть раз ви­де­ли ста­рые трубы во­до­снаб­же­ния внут­ри, пол­ные грязи, ила и пр., то по­ни­ма­е­те о чем я.

Из­древ­ле воде при­пи­сы­ва­ли «ма­ги­че­ские свой­ства» - все знают о живой и мерт­вой воде из ска­зок. Вода, как любая си­сте­ма, вполне может быть, что спо­соб­на со­хра­нять какие-​то ин­фор­ма­ци­он­ные или энер­ге­ти­че­ские «воз­дей­ствия» и яв­лять­ся их даль­ней­шим про­вод­ни­ком. Соб­ствен­но, ве­ру­ю­щие знают о свя­той воде, о кре­щен­ской воде, граж­дане СССР за­ря­жа­ли воду у те­ле­ви­зо­ра всей стра­ной и т.д.

Тем не менее, из­вест­ны раз­но­об­раз­ные на­уч­ные пуб­ли­ка­ции о том, что вода дей­стви­тель­но при­об­ре­та­ет раз­лич­ные струк­ту­ры, осо­бен­но при кри­стал­ли­за­ции, в за­ви­си­мо­сти от воз­дей­ствия на нее волн раз­лич­ной при­ро­ды и ча­сто­ты. Во­об­ще, вода - это на­вер­ное самое из­вест­ное ве­ще­ство, с ко­то­рым наука как толь­ко не иг­ра­лась, вклю­чая экс­пе­ри­мен­ты по су­пер­сжа­тию воды для пе­ре­во­да ее в кван­то­вое со­сто­я­ние, т.е. в то со­сто­я­ние, когда вода пе­ре­ста­ет опи­сы­вать­ся за­ко­на­ми клас­си­че­ской фи­зи­ки - мо­ле­ку­лы воды ста­но­вят­ся спо­соб­ны­ми про­хо­дить через ба­рье­ры на атом­ном уровне – это по­ве­де­ние объ­яс­ня­ет­ся кван­то­вой ме­ха­ни­кой и на­зы­ва­ет­ся «тун­не­ли­ро­ва­ни­ем». Уче­ные счи­та­ют, что вода часто пе­ре­хо­дит в такое со­сто­я­ние, чтобы течь через очень узкие про­стран­ства в ска­лах, почве и даже в стен­ках живых кле­ток и во­об­ще для «везде про­ни­кать».

Также стоит упо­мя­нуть об изо­топ­ном со­ста­ве при­род­ной воды. В при­ро­де рас­про­стра­не­ны два ста­биль­ных изо­то­па во­до­ро­да с мас­са­ми 1 (про­тий) и 2 (дей­те­рий). И три ста­биль­ных изо­то­па кис­ло­ро­да с мас­са­ми 16,17 и 18. Тя­же­лой водой при­ня­то на­зы­вать воду, обо­га­щен­ную дей­те­ри­ем, а лег­кой водой, на­обо­рот, обед­нен­ную дей­те­ри­ем.

Зна­че­ния изо­топ­ных со­ста­вов во­до­ро­да и кис­ло­ро­да в при­род­ных водах  за­ви­сят от мно­же­ства фак­то­ров и про­цес­сов, в част­но­сти, об­ла­сти об­ра­зо­ва­ния дож­де­вых об­ла­ков (над оке­а­ном или над за­кры­ты­ми во­до­е­ма­ми), кли­ма­ти­че­ских усло­вий, свя­зью во­до­е­ма с грун­то­вы­ми во­да­ми,  тем­пе­ра­ту­ры, гео­гра­фи­че­ской ши­ро­ты вы­па­де­ния осад­ков, вза­и­мо­дей­ствия в си­сте­ме вода-​порода и т.д. Эта за­ви­си­мость поз­во­ля­ет ис­сле­до­вать  по­сле­до­ва­тель­ность про­цес­сов во­до­об­ме­на и про­ис­хож­де­ние при­род­ных вод (ме­теор­ные, юве­ниль­ные, ман­тий­ные), ис­точ­ни­ков пи­та­ния рек и во­до­е­мов.

В по­след­нее время сфера ис­поль­зо­ва­ния дан­ных изо­топ­но­го со­ста­ва рас­ши­ри­лась за счет при­ме­не­ний в кли­ма­то­ло­гии (и па­лео­кли­ма­то­ло­гии), эко­ло­гии, био­ло­гии и в об­ла­стях кон­тро­ля ка­че­ства про­дук­тов (вклю­чая вы­яв­ле­ние фаль­си­фи­ка­тов, свя­зан­ных с source of origin). В част­но­сти, к на­сто­я­ще­му мо­мен­ту уста­нов­ле­но,  что при­род­ная вода, обед­нен­ная тя­же­лы­ми изо­то­па­ми во­до­ро­да и кис­ло­ро­да, об­ла­да­ет сти­му­ли­ру­ю­щим дей­стви­ем на раз­лич­ные био­ло­ги­че­ские объ­ек­ты и даже ле­чеб­ны­ми свой­ства­ми. Ор­га­низм че­ло­ве­ка на 99% со­сто­ит из «лег­ких» изо­то­пов, дан­ная осо­бен­ность сфор­ми­ро­ва­лась в про­цес­се эво­лю­ции бла­го­да­ря уни­каль­ной осо­бен­но­сти кле­точ­ных мем­бран и био­хи­ми­че­ских про­цес­сов в ор­га­низ­ме, ко­то­рые еще не до конца изу­че­ны. В ра­бо­тах ряда ав­то­ров упо­треб­ле­ние при­род­ных вод, обо­га­щен­ных тя­же­лы­ми изо­то­па­ми, свя­зы­ва­ет­ся с по­вы­шен­ным уров­нем он­ко­ло­ги­че­ских за­бо­ле­ва­ний и стрес­са, с мень­шей про­дол­жи­тель­но­стью жизни.

Ве­ли­чи­на изо­топ­но­го со­ста­ва до­ста­точ­но непри­выч­на для вос­при­я­тия с пер­во­го взгля­да, по­то­му что, во-​первых, она от­но­си­тель­ная (из­ме­ря­ет­ся от­но­си­тель­но­го вы­бран­но­го стан­дар­та с из­вест­ным аб­со­лют­ным изо­топ­ным зна­че­ни­ем), во-​вторых, она пред­став­ле­на в про­мил­ле – ты­сяч­ные доли (про­цент – сотые доли). Но такое пред­став­ле­ние очень удоб­но, по­то­му что зна­че­ния по­ка­зы­ва­ют на­гляд­ную раз­ни­цу, что, на­при­мер, видно в при­ве­ден­ных мной в конце неко­то­рых дан­ных по ми­не­раль­ной пи­тье­вой воде. Сама ве­ли­чи­на обо­зна­ча­ет­ся бук­вой «дель­та». За стан­дарт с ну­ле­вым зна­че­ни­ем дель­ты вы­бра­на оке­а­ни­че­ская вода SMOW (дер­жа­тель – МА­ГАТЭ). Со­от­вет­ствен­но, боль­шин­ство при­род­ных вод имеют от­ри­ца­тель­ное зна­че­ние по во­до­ро­ду и кис­ло­ро­ду, от­но­си­тель­но дан­но­го стан­дар­та SMOW. Что имеет про­стой фи­зи­че­ский смысл – лег­ко­го изо­то­па в при­род­ной воде мень­ше чем в этом стан­дар­те. На­при­мер, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да в этих еди­ни­цах в Москве со­став­ля­ет при­мер­но -80 про­мил­ле. А вот в  Но­во­си­бир­ске, в Оби, это уже при­мер­но -115 про­мил­ле.

В целом, изо­топ­ный со­став воды по во­до­ро­ду в при­ро­де ме­ня­ет­ся до­воль­но ши­ро­ко, при­мер­но от +10 до -420 про­мил­ле, а по кис­ло­ро­ду диа­па­зон су­ще­ствен­но уже, при­мер­но от 0 до -55 про­мил­ле. Изо­топ­ный со­став свя­зан с ис­точ­ни­ком про­ис­хож­де­ния воды и, в прин­ци­пе, он уни­ка­лен для каж­до­го ис­точ­ни­ка (хотя есть се­зон­ные из­ме­не­ния, но они могут быть ма­ло­зна­чи­тель­ны­ми) и его крайне слож­но под­де­лать (изо­топ­ный со­став кле­точ­ной воды за­ви­сит от изо­топ­но­го со­ста­ва ис­точ­ни­ка воды для рас­те­ний). На­столь­ко что он лег в ос­но­ву при­ме­не­ния ряда ре­гла­мен­тов ка­че­ства про­дук­тов, на­при­мер, вина: OIV-​MA-AS2-12 Method for 18 O/ 16 O isotope ratio determination of water in wines and must.

При­ве­ду неко­то­рые дан­ные по неко­то­рым по­пу­ляр­ным ми­не­раль­ным водам:

Бор­жо­ми, Гру­зия, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -98 про­мил­ле.

Вит­тель, Фран­ция, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -59,5 про­мил­ле, кис­ло­род  -8,7 про­мил­ле.

Эль­брус, сква­жи­на 452, Наль­чик, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -80,3 про­мил­ле, кис­ло­род  -11,7 про­мил­ле

Ес­сен­ту­ки, 17, сква­жи­на 47, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -78,9 про­мил­ле, кис­ло­род  -10,4 про­мил­ле.

Ес­сен­ту­ки, 4, сква­жи­на 49, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -80,4 про­мил­ле, кис­ло­род  -11,3 про­мил­ле.

Spa Reine, Бель­гия, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -55,7 про­мил­ле, кис­ло­род  -8,4 про­мил­ле.

Аква Ми­не­ра­ле, сква­жи­на в Са­ма­ре, изо­топ­ный со­став во­до­ро­да -104,3 про­мил­ле, кис­ло­род  -14,7 про­мил­ле.

Как я уже от­ме­ти­ла, неко­то­рые ис­сле­до­ва­ния и на­блю­де­ния свя­зы­ва­ют про­дол­жи­тель­ность жизни с лег­кой водой. В СССР в свое время было вы­де­ле­но два рай­о­на дол­го­жи­те­лей – Чечено-​Ингушетия и Яку­тия, и ока­за­лось, что по­верх­ност­ная вода там, об­ра­зу­ю­ща­я­ся от та­я­ния сне­гов (при­чем имен­но лег­ких по изо­топ­но­му со­ста­ву, не так как в Ан­тарк­ти­ке ко­неч­но, но при­бли­же­но) до­воль­но лег­кая. На­при­мер, в Яку­тии (льды, снега) изо­топ­ный со­став в сред­нем по во­до­ро­ду -200 про­мил­ле, в устье Тюнга вода летом по­ряд­ка -175 про­мил­ле (https://doi.org/10.15356/2076-6734-2019-3-414). На­по­ми­наю, что по Москве это в сред­нем -80 про­мил­ле по во­до­ро­ду.

Сей­час раз­лич­ные про­из­во­ди­те­ли пред­ла­га­ют ис­кус­ствен­ную су­пер­лег­кую (мар­ке­тин­го­вое слово) пи­тье­вую воду при­мер­но до -1000 про­мил­ле по во­до­ро­ду.