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.