? С древнейших времен стали понимать великое значение воды не только для людей и всяких животных и растительных организмов, но и для всей жизни Земли. Некоторые из первых греческих философов ставили воду даже во главе понимания вещей в природе, и вся древняя мудрость признавала воду стихиею мира, то есть первозданным, или исходным, веществом. Роль В. в природе громадна, но это отнюдь не первозданная стихия; без нее нельзя обойтись в понимании множества природных явлений, но она не составляет причины или исхода всех их, потому что инертная сама по себе вода становится носительницею силы и возбудительницею громадного множества явлений в природе лишь в силу того, что она поглощает и распределяет энергию солнечных лучей; предоставленная же действию мировых сил природы ? без солнечного тепла ? В. дает полярные льды, среди которых жизнь и всякое движение замирают. Следовательно, понимание значения воды может получиться только при знакомстве с отношением ее к теплоте и другим силам и веществам, что и заставляет начинать статью о В. с трех отделов: о физических свойствах воды, о химических отношениях ее и о воде в природе. Но так как природные воды обладают весьма неодинаковыми качествами, как видим, напр., при сличении свойств воды морской, минеральной и пресной, то прежде всего должно сделаться ясным, что под именем воды (по-латыни Aqua, откуда знак воды Aq., часто применяемый в науке, а от греческого наименования воды (hydros) происходят названия: гидраты, гидролиз, гидравлика и т. п., которыми выражается участие в них воды, см. эти слова) ? подразумевается то общее начало, которое содержится во всяких водах природы. Такую В. называют химически чистою водою. Она получается через перегонку природных видов В. (см. ниже, V) и через сгущение (при охлаждении) водяных паров. Вода дождей получается в природе тем же способом испарения и сжижения, а потому дождевая вода до некоторой степени может считаться образцом чистой воды (см. III и IV) и во множестве случаев (например для составления некоторых лекарств, в фотографии и т. п.) может заменять перегнанную воду. Но обе они, сжижаясь среди воздуха, растворяют газы воздуха и поглощают из него другие вещества (пыль, соли и проч., см. Воздух), в нем находящиеся, а потому не могут считаться за совершенно чистую воду, какая требуется в некоторых научных исследованиях, напр., при определении веса кубической меры воды, при точном определении ее растворяющей способности, при сравнении гальванического сопротивления ее растворов и т. п. Приготовление действительно абсолютно чистой воды особенно затрудняется тем обстоятельством, что вода действует химически на обыкновенные виды сосудов (из стекла, фарфора, обык. металлов и т. п.) и при перегонке природных видов В. вместе с нею переходят в парообразное состояние хотя весьма мало летучие, но всегда в дистиллированной и дождевой В. находящиеся количества некоторых органических (углеродистых) веществ. Поэтому получение совершенно чистой В. требует употребления: 1) платиновых (или золотых) сосудов, п. ч. на платину вода не действует, 2) предварительного разрушения (превращения в газы и нелетучие тела) органических подмесей, что делается при помощи перегонки воды с хамелеоном (см. это слово и Марганец) и 3) новой перегонки в платине и в среде или струе воздуха, очищенного через промывку в воде и процеживание через длинный слой ваты, чтобы могли поглотиться только газы и 4) сохранение в платиновом (но не стеклянном) сосуде среди безвоздушного пространства, в которое выделяется поглощенный воздух. Только такая В. сохраняется беспредельно долго, не загнивая, то есть не давая места развитию плесени и вообще микроорганизмов, тогда как дождевая и обыкновенная перегнанная В. при долгом сохранении почти всегда загнивает, как и всякая природная В., исключая некоторые минеральные воды (см. это слово). Говоря о физических и химических свойствах В. подразумевают именно такую совершенно чистую В., которую и приготовляют для нормальных определений. Но необходимо с самого начала ясно видеть, что множество свойств В. претерпевает лишь ничтожнейшее (в пределах точности опытов находящееся) изменение при переходе от совершенно чистой воды к обыкновенной дистиллированной, а иногда и к обыкновенной дождевой или пресной, потому что эти виды В. содержат в растворе очень мало посторонних веществ. Так, напр., плотность В. от растворения в ней воздуха (до насыщения) изменяется лишь настолько, что это изменение можно открыть только точнейшими из существующих способов, а именно, если чистая вода имеет плотность 1, то насыщенная воздухом ? 0,999997 (Менделеев, "Исследование водных растворов", 1887, стр. 383). Однако другие свойства В., особенно химические, часто изменяются от малейшей подмеси растворенных веществ. Так, напр., железо в химически чистой воде не ржавеет, что происходит с ним очень легко в воде, содержащей воздух. Малое количество раствора хамелеона и серной кислоты окрашивают химически чистую В. в красный цвет даже при нагревании, а если взять обыкновенную дистиллированную В., содержащую органическую подмесь, то окрашивание исчезает. Многие горные породы совершенно иначе относятся к чистой В., чем к обыкновенной природной В., именно потому, что последняя содержит в растворе воздух, углекислоту и некоторые соли (см. X).
Важнейшие или необходимейшие сведения о В. распределены в следующих отделах: I. Физические свойства, II. Химические отношения воды, III. В. в природе, IV. В. для питья, V. Дистиллированная, или перегнанная, В., VI. Применение воды для паровиков, VII. В. в крашении, VIII. Сточные воды, IX. Вода в почве, X. Геологическая роль В.
I. Физические свойства В. часто (напр., плотность и теплоемкость) служат единицею для сравнения свойств других веществ. Вес В. служит мерилом для установления отношений между мерою объемов и веса (см. Десятичная система мер и весов); так, вес куб. сантиметра В. при 4¦ Ц. принимается за грамм, куб. дециметра (или литр) за килограмм, куб. метра за тонну и т. п.
В. относится к сравнительно небольшому числу веществ, весьма легко переходящих все состояния: твердое (лед), жидкое и газообразное (водяной пар); ее можно иметь при температурах от -10¦ (холода) до 0¦ Ц. даже единовременно во всех трех состояниях. Так, например, если некоторое количество воды ввести под колокол воздушного насоса и выкачивать воздух так, чтобы упругость оставшегося была ниже 4,57 млн. ртутного столба, то вода закипит, то есть образуется пар, и, расходуя теплоту для парообразования, охладится до 0¦, так что превращается постепенно в лед. В парообразном состоянии вода может находиться при всяких температурах, но пары данной температуры при сдавливании переходят в жидкость, если упругость (или внешнее давление) их превзойдет известную меру, так что для парообразного состояния гранью служит эта наибольшая упругость, изменяющаяся с температурою. Так напр., при 100¦ Ц. наибольшая упругость водяных паров доходит до нормального давления атмосферы, или до 760 мм ртутного столба (считая ртуть при 0¦ и относя наблюдение к географ. широте в 45¦). Если представить при давлении в 760 мм некоторое пространство наполненным парами В. при 100¦, и, поддерживая эту температуру, станем увеличивать объем ? пары будут расширяться подобно газу и не будут насыщать пространства (т. е. в то же пространство можно будет вмещать еще новое количество водяных паров), но давление будет уменьшаться по мере увеличения объема. Если же вместо разрежения станем сдавливать пары (все при 100¦), то давление 760 мм возрастать не будет, а часть водяных паров перейдет в жидкое состояние. Таким образом, каждой температуре t (по Цельсию) отвечает свое наибольшее давление паров (h млн. ртути 0¦), короче называемое просто упругостью паров (подразумевая ? наибольшую возможную), а именно:
t
h
t
h
-15¦
1,44 мм
90¦
525,5 мм
-10¦
2,15 мм
100¦
760,0 мм
? 5¦
З,16 мм
110¦
1075,4 мм
0¦
4,57 мм
120¦
1491,3 мм
+ 5¦
6,51 мм
130¦
2030,3 мм
10¦
9,14 мм
140¦
2718 мм
15¦
1 2,67 мм
150¦
3581 мм
20¦
17,36 мм
160¦
4652 мм
25¦
23,52 мм
170¦
5962 мм
30¦
31,51 мм
180¦
7546 мм
40¦
54,8 мм
190¦
9443 мм
50¦
92,0 мм
200¦
11689 мм
60¦
148,9 мм
210¦
14325 мм
70¦
233,3 мм
220¦
17390 мм
80¦
354,9 мм
230¦
20926 мм
"Атмосферой", или нормальным давлением, принимается давление столба ртути в 760 мм при 0¦ и широте 45¦; упругость паров воды Н, выраженная в атмосферах, и соответственные температуры суть:
H.
t.
H.
t.
1 / 2 атм.
81¦,7
8 атм.
170¦,8
1 атм.
100¦,0
9 атм.
175¦,8
2 атм.
120¦,6
10 атм.
180¦,3
3 атм.
133¦,9
11 атм.
184¦,5
4 атм.
144¦,0
12 атм.
188¦,4
5 атм.
152¦,2
13 атм.
192¦,1
6 атм.
159¦,2
14 атм.
195¦,5
7 атм.
165¦,3
15 атм.
198¦,8
Очевидно, что каждой данной упругости паров отвечает низшая возможная температура. Нагретые выше ее пары называются перегретыми; при низшей же температуре пары превращаются отчасти в жидкость. Перегретые пары значительного давления имеют большое применение в заводском деле, напр., при перегонке нефти (см. Вазелин, Смазочные масла и Перегретые пары).
Жидкою В. может оставаться при данной температуре только тогда, когда находится под давлением равным или большим вышеуказанной упругости ее паров; в пространстве, не насыщенном парами [здесь входит понятие о парциальном давлении, если имеется, как в воздухе, смесь различных газов и паров, но предмет этот рассматривается особо в статьях: Парциальное (частное) давление и Пары], В. испаряется; если же пространство насытится парами, то часть В. остается в жидком виде, пока температура не достигнет "температуры абсолютного кипения" или "критической", ей свойственной, которая, по определению Дьюара (Dewar, 1884), лежит для воды около 370¦ (по данным 1891 г. Бателли: 364¦,3). При этой температуре вода вся переходит в пар (см. Критическое состояние), следовательно, эту температуру должно считать высшею гранью жидкой воды. При охлаждении до 0¦, как общеизвестно, вода переходит в твердое состояние, кристаллизуется в лед (см. это слово), но этот переход может замедляться при совершенном покое охлаждаемой воды, так что ее можно охлаждать даже до -10¦, сохраняя в жидком виде. Такая переохлажденная вода от сотрясения и кусочка льда начинает давать твердые массы льда, но выделяющееся тепло повышает температуру остальной В., а потому часть ее, пока тепло не потеряется, остается в жидком виде и при образовании льда общая температура устанавливается 0¦. Что касается до твердого состояния В., т. е. льда и снега (см. эти слова), то оно не существует при температурах выше 0¦. Таким образом, как у жидкого, так и твердого вида В. есть абсолютные температурные пределы; только для парообразного состояния нет температурных пределов (лед сохнет или испаряется подобно воде жидкой даже при наинизших известных температурах), но зато есть предельные давления.
Перемена состояний В. обусловливается не только температурою, но и количеством тепла, потому что сопровождается или поглощением тепла, а именно при переходе твердого в жидкое и газообразное состояние и при переходе жидкости в пар, или же выделением тепла, если пар переходит в жидкость или эта последняя в твердое состояние (см. Плавление, Испарение). Определение Реньо и др. установили, что для перехода одной весовой части жидкой воды в пар (имеющий ту же t) при различных температурах расходуется различное количество теплоты, а именно: при 0¦ Ц. ? 606 ед. тепла; при 50¦ Ц. 571 ед. тепла; при 100¦ Ц. ? 534 ед. тепла; при 150¦ Ц. ? 494 ед. тепла. Приближенно можно принимать до 200¦, что при t¦ скрытое тепло испарения = 606-0,75 t. Это показывает, что расход тепла уменьшается с возвышением t и что можно ждать температуры, при которой он = 0. Этого и должно ждать при упомянутой выше температуре абсолютного кипения. При переходе льда в жидкость при 0¦ поглощается 80,0 ед. тепла (Бунзен), при -5¦ менее, а именно 76,7 (Петтерсон). Металлы (напр. Pb 5,8, Sn 13) и многие твердые тела поглощают, плавясь, обыкновенно менее тепла, чем В., а жидкости (напр. CS 2 90, Br 2 51, CHCl 3 70), испаряясь, поглощают менее тепла, чем В. [Это находит объяснение в том, что В. из всех жидкостей представляет наименьший химический частичный вес, и тепло, испаряющее количества, пропорциональные частичным весам для всех веществ, хотя не одинаково в точности, но близко, так как произведение из скрытой теп. испарения на частичный вес есть величина мало изменяющаяся для хорошо исследованных веществ (см. Частицы).]. Это имеет большое значение как в природе, так и в технике. Так, напр., в природе превращение водяных паров в жидкость (роса, дождь и т. п.) сопровождается выделением столь значительного количества тепла, что оно препятствует быстрому охлаждению, и, обратно, испарение В. препятствует накаливанию, а потому умеряет климат, чему содействует большая теплоемкость (см. это слово) В. и ее малая теплопроводность. Теплоемкость жидкой воды при 0¦ принимается за 1, при 50¦ она = 1,039, при 100¦= 1,063 (Эттинген), следовательно, остается значительною при всех температурах и большею, чем у других жидкостей (напр., спирт 0,55, эфир ? 0,53, ртуть ? 0,033). Теплоемкость паров воды гораздо меньше, а именно лишь = 0,37, даже теплоемкость льда менее, чем жидкой В., а именно = 0,46. Поэтому как жидкая нагретая вода, так особенно водяные пары могут скоплять (пары в виде скрытого тепла) в себе много тепла, а потому их употребляет как природа, так и техника для передачи тепла. Так, напр., нагревание жилищ, перегонных сосудов (напр., см. Винокурение), испаряемых растворов (см. Выпаривание) и т. п. во множестве случаев с наибольшими удобствами производится при содействии нагретой воды или пропускаемых водяных паров. На том же свойстве В. (равно как по легкости иметь ее всюду в распоряжении) основано и применение ее для установления постоянных температур 0¦ и 100¦ в термометрах, принимая за исход ? температуры таяния льда (чистого, при норм. давлении) и кипение воды (при нормальном давлении, см. Термометрия). Те же термические свойства В. служат основанием для ее применения в паровых и др. термических машинах, где механическая работа, в сущности, производится на счет тепла, развиваемого топливом и В., образуя пар или охлаждаясь, служит только посредником или передает работу тепла из очага действующим механизмам, подобно передаточному ремню или валу (см. Теплота, как движение [Множество практических задач техники решается на основании приведенных выше термических свойств воды, напр., спрашивается: какую температуру будет иметь (не теряя тепла) В., если к килогр. ее при t¦ присоединяется M килогр. паров, имеющих температуру 100¦. Примем для простоты расчета (как потребно в технике) сред. теплоемкость жидкой B. = 1 и, заметив, что после смешения получится N + M воды, назовем искомую температуру через х. Очевидно, что M килогр. паров потеряют M (534+100-х) ед. тепла, а N кило В. приобретут N (x ? t) ед. тепла и их разность = 0, откуда X[ (M 634 + N t ) /( M + N )]. То же получится иначе, если сочтем, что в M паров было от 0¦ ед. тепла M 634, а в N воды было М t ед, тепла, в смеси же будет (M + N) x, и сумма двух первых равна последнему.]). Из других физических свойств В. остановимся здесь [иные свойства В. напр., вязкость, теплопроводность, трение и т. п. рассматриваются в соответственных статьях Словаря] лишь на ее удельном весе (плотности), сжимаемости и сцеплении как на таких, которые явно находятся в связи с природными явлениями, техническими приложениями и вышеуказанною переменою состояний В. при нагревании.
Плотность В., или вес куб. меры ее, изменяется смотря по состоянию ? жидкому, твердому и парообразному ? и смотря по температуре. В прошлом столетии был (Делюк, Гильпин и др.) найден поразительный факт, что В. при температуре около 4¦ Ц. представляет наибольшую плотность, то есть данная масса ее при 4¦ занимает наименьший объем, или иными словами: жидкая В. от 0¦ при нагревании до 4¦ Ц. не расширяется, а сжимается и только после этой температуры с нагреванием увеличивает свой объем в отличие от всех почти других жидкостей, постоянно расширяющихся при нагревании. Точные определения изменений объема или плотности воды произведены затем многими исследователями. Особенно важны данные Галльштрёма (1823), Депре (1837), Пьерра (1847), Коппа (1847), Гагена (1855), Гирна (1867) и Росетти (1869). Обработкою сведений этого рода занимались вслед за Biot (1811) множество ученых, особенно же важны исследования Миллера (1856) в Англии, Франкенгейма (1852) в Германии и Макарова (1891) в России. Свод этих сведений дан Менделеевым в "Жур. Русс. физико-хим. общества" (1891 г.) и в "Philosophical Magazine" (1892); оказывается, что для жидкой воды все изменение плотности: от -10¦ Ц. (тогда вода переохлаждена) до +200¦ Ц. (в замкнутом пространстве, напр., в паровике) выражается формулою:
S t = [(t ? 4) 2 ]/[(A + t)(B ? t)C]
где S t есть удельный вес жидкой воды (вес литра в килограммах) при температуре t (по Цельсию) при давлении в 1 атмосф., приняв плотность при 4¦ Ц. = 1; А = 94,1; В = 703,5 и С = 1,9.
t¦ Ц
Удельные веса жидкой воды S t
Производная по темпер. ds/dt на градус Цельсия, в млн. долях
Производная по давлению ds/dp на атмосферу, в млн. долях
Объем V t или значение 1/S t
-10¦
0,998281
+ 264
+ 54
1,001722
? 5¦
0,999325
+ 157
+ 52
1,000676
0¦
0,999873
+ 65
+ 50
1,000127
+ 5¦
0,999992
? 15
+ 48
1,000008
+10¦
0,999738
? 85
+ 47
1,000262
+15¦
0,999152
? 148
+ 46
1,000849
+20¦
0,998272
? 203
+ 45
1,001731
+25¦
0,997128
? 254
+ 44
1,002880
+30¦
0,995743
? 299
+ 43
1,004276
+40¦
0,992334
? 380
+ 41
1,007725
+50¦
0,988174
? 450
+ 40
1,011967
+60¦
0,983356
? 612
+ 39
1,016926
+70¦
0,977948
? 569
+ 89
1,022549
+80¦
0,971996
? 621
+ 40
1,028811
+90¦
0,965537
? 670
+ 41
1,035692
+100¦
0,958595
? 718
+ 42
1,043194
+120¦
0,943314
? 810
+ 43
1,060093
+140¦
0,926211
? 901
+ 48
1,079667
+160¦
0,907263
? 995
+ 55
1,102216
+180¦
0,886393
? 1093
+ 64
1,128167
+200¦
0,863473
? 1200
+ 73
1,158114
Так как В. океанов и морей играет весьма важную роль в природе и сведения о ее расширении имеют большое значение в гидрографии, то приводим здесь результат, полученный адмир. Макаровым из всех доныне известных наблюдений, см. "Журнал Русс. физ.-химич. общества", 1891), над изменением плотности морской В. Удельные веса такой воды даны в отношении к чистой воде при 4¦ и притом: I ? для морской воды, разжиженной пресною, и II ? для морской воды обычной степени солености (как можно судит по величине уд. веса, см. далее III).
I
II
? 5¦ Ц.
1,020707
1,028187
0¦ Ц.
1,020777
1,028094
+ 5¦ Ц.
1,020491
1,027678
+10¦ Ц.
1,019885
1,026970
+15¦ Ц.
1,019000
1,026000
+20¦ Ц.
1,017869
1,024800
+25¦ Ц.
1,016532
1,023400
+30¦ Ц.
1,015027
1,021831
+35¦ Ц.
1,013341
1,020063
Руководясь этими данными и приведенными выше для расширения чистой воды, С. О. Макаров составил полные таблицы, изданные под названием: "Об измерении удельного веса морской воды", 1891 г. Для расширения обычной пресной воды можно довольствоваться числами, данными для чистой воды, но, однако, не должно забывать, что всякая В., содержащая что-либо в растворе, сильнее расширяется, чем чистая, и чем более веществ растворено в воде, тем ее расширение значительнее, как видно уже из приведенных данных для двух сортов морской воды.
В природе и при изучении влияния температуры на вещество изменения плотности и объема В. имеют весьма большое значение. В. водоемов охлаждается с поверхности от лучеиспускания, нагревается также с поверхности ? от солнечной теплоты, слои же воды располагаются по относительной своей плотности. Пока В. нагрета до температур высших, чем 4¦ Ц., верхние слои будут теплейшими, как это и видим в нормальных условиях; но если охлаждение достигает до 4¦ Ц., то нижние слои будут теплее верхних, потому что при охлаждении плотность уменьшается. Следовательно, на поверхности В. достигается 0¦, или температура замерзания, ранее, чем на дне водоема. Поэтому лед образуется в водоемах с поверхности, а не со дна или не с середины В., как и видим в природе (подробнее см. Лед в природе). Плавает лед по поверхности В. по той причине, что он еще легче, чем В. при 0¦, а именно: при 0¦ куб. дециметр его весит 0,91674 килограмма (Бунзен). Воды соленые, напр., морская В., имеют также свою температуру наибольшей плотности, она, как и температура образования льда у такой В., лежит немного ниже, чем у чистой В. На дне океанов всюду, даже под экватором, хотя на различных глубинах, лежит слой такой тяжелейшей воды, притекающей от полюсов по дну, чем определяется уменьшение температуры В. в океанах по мере углубления (см. Океаны). Так как вес куб. меры, или уд. вес, В. изменяется как с температурою, так и с соленостью или содержанием растворенных веществ и так как соседние воды разной плотности, т. е. разной солености и температуры, смешиваются (диффундируют друг в друга) лишь медленно, то от этого зависит распределение воды разной плотности (внизу более холодной или более соленой, а сверху более теплой или менее соленой) на разных глубинах морей и океанов и те течения в океанах и морях, которые Мори живо описал, как реки среди океанов (напр., Голфстрём, несущий из тропиков теплую воду к западным берегам Европы). Этими течениями, идущими как по поверхности, так и по дну (а иногда и в середине толщи В., как показал, напр., не раз Макаров) воды разных плотностей стремятся достичь до устойчивого равновесия, а потому, напр., от полюсов по дну океана текут потоки холодной и тяжелой воды, а по поверхности океанов морские течения теплой воды от тропиков в средние широты. Прилив пресной воды, неравномерность глубины, ветры, очертания берегов и др. обстоятельства сильно влияют на направление этих путей. Адм. Макаров, исследовав многие подобные течения (начиная с того, которым Черное море меняет свои воды со Средиземным и кончая многими течениями Тихого океана, см. Океаны) в морях, океанах и их проливах, установил и ту разность высот различных морей, которая происходит от этой разности плотностей В. различных морей, хотя бы и сообщающихся друг с другом. Так, напр., уровни Черного, Балтийского и Бискайского моря не вполне одинаковы. Отсюда уже видно, что данные для плотности В. играют важную роль в учениях, касающихся равновесий и движений воды на земле.
Так как вода, замерзая, сильно расширяется (100 об. В. при 0¦ дают 109 об. льда), то при замерзании В., попавшей в трещины дерев или камней или налитой в сосуд (даже в кадь, если замерзание идет сверху), они лопаются, так как сжимаемость В. (см. далее) и льда очень малы и крепость стенок сосудов не выдерживает такого давления, которое отвечает получающемуся расширению. Но и помимо наибольшей плотности изменение веса куб. меры В. при нагревании представляет много примечательного, потому что глубоко отличает В. от всех других жидкостей. Все они изменяют свой уд. вес почти равномерно с возрастанием температуры, так что приращение ее на 1¦ уменьшает их уд. вес при разных температурах почти на одинаковую величину, как видно в прилагаемой таблице, где даны стотысячные доли изменения уд. веса при 4-х температурах:
Температура
Амиловый спирт
Серная кислота 39 1 / 4 %
3-бромистый фосфор
Ртуть
Вода
0¦
-76
-106
-244
-245
+ 6 1 / 2
25¦
-77
-102
-245
-244
-25
50¦
-80
-99
-245
-243
-45
100¦
-94
-92
-246
-242
-72 Уд. вес при 0¦
0,82480
1,85250
2,92310
13,59560
0,99987
Для В. величина изменений сравнительно мала; для нее одной велич и ны (производной ds/dt) чрезвычайно быстро изменяются с температурою и не перестают возрастать даже при перегревании до +200¦, как видно из 3-го столбца таблицы уд. веса В.
В других свойствах В. замечается также много своеобразных особенностей по сравнению со свойствами иных жидкостей, так что В. в физическом смысле обладает совокупностью таких признаков, которые ее выделяют из круга прочих жидкостей, как выделяется она и по ее общему распределению и по роли в природе. Но, превращаясь в пар, она, как всякие жидкости, способные переходить в пар, дает вещество, обладающее общею совокупностью признаков, свойственных газам и парам (см. эти сл.), так что и объем паров В. и его изменение с давлением, температурою и составом подчиняются совокупности трех законов, управляющих газообразным состоянием вещества (законы Бойля-Мариотта, Шарля-Гей-Люссака и Авогадро-Жерара, см. Частицы). Так, по закону Авогадро-Жерара вследствие того, что частица В. есть H 2 O (см. далее II), плотность ее паров вдали от насыщения и диссоциации близка к 18 / 2 (где 18 есть частичный вес воды Н 2 О, а 2 общий делитель) или к 9 по отношению к водороду. А так как водород в 14,4 раза легче воздуха, то разочтенная по составу плотность водяных паров относительно к воздуху близка к 9 / 14 , или к 0,625. А так как куб. метр воздуха весит (см. Воздух) 1,293 килогр. при 0¦ и 760 мм, то для куб. метра водяного в тех же условиях вычисляется вес 0,808 килогр., а при давлении h мм и температуре t вес куб. метра паров в килограммах вычисляется:
[0,808(h/760)] x [273/(273 + t)]
Этот расчет дает числа совершенно близкие (как и для всех др. газов и паров) к наблюдаемым, если пар далек от насыщения, то есть перегрет (газы и суть перегретые пары); но (как для других паров) если пар насыщает пространство, то наблюдаемые числа более вычисляемых, напр., для давления h = 760 мм и t = 100¦ (след., пар насыщен) вычисляется вес куб. метра 0,592, а наблюдается 0,606. Для насыщенного пара принимают (Цейнер и др.) вес куб. метра равным:
0,6061 p 0,9393 килограммов,
где p есть давление, выраженное в атмосферах. В прилагаемой табл. даны веса куб. метра насыщенного пара В. в килогр. при различных температурах.
Температура
Вес куб. м. нас. пара.
0¦ Ц.
0,005 кг
25¦ Ц.
0,023 кг
50¦ Ц.
0,083 кг
100¦ Ц.
0,606 кг
125¦ Ц.
1,323 кг
150¦ Ц.
2,605 кг
200¦ Ц.
7,055 кг
А так как куб. метр воды (см. ранее) при 0¦ весит 999,8, при 100¦ ? 958,6 и при 200¦ ? 863,5 килогр., то, превращаясь в пар, В. увеличивает свой объем при 0¦ с лишком в 200000 раз, при 100¦ в 1580 раз, а при 200¦ в 122 раза, то есть с повышением t расширение при переходе в насыщенный пар уменьшается очень быстро, что вновь указывает на то, что должна быть такая высокая температура (абсолютного кипения), при которой переход жидкой В. в насыщенный пар не будет сопровождаться переменою объема. К тому же заключению о существовании предельной (критической) температуры для жидкой В. приводят и сведения об уменьшении сцепления жидкой В. с возвышением температуры. Сцепление жидкостей измеряется (сверх данных для уд. веса) поднятием их в капиллярных (волосных) трубках (см. Волосность). В трубке, которой радиус равен 1 млн. при 0¦, В. поднимается на высоту 15,3 мм, при 50¦ на 13,9 мм, при 100¦ на 12,5 мм или вообще при t¦ Ц. поднятие приблизительно равно 15,3 ? 0,028 t млн. Следовательно, должно ждать некоторой возвышенной температуры, при которой поднятия, а, следовательно, и сцепления жидких частиц не будет (=0). Но жидкость, потерявшая сцепление (способность давать капли), ничем не отличается от газа или пара, что и должно быть при температуре абсолютного кипения как на границе жидкого состояния, характеризующегося сцеплением, отсутствующим в газах и парах [Капиллярное поднятие, след., и сцепление других жидкостей менее, чем В. (см. Волосность, Капиллярность).]. Другое коренное отличие парообразного состояния от жидкого состоит в том, что пары, как газы, сильно (в пределе, по закону Бойля-Мариотта, в действительности же всегда с отступлениями от него, см. Сжимаемость) сжимаются от давления, жидкости же малосжимаемы. По совокупности вышеизложенных понятий следует ждать, что вода по мере нагревания, приближаясь к температуре абсолютного кипения, будет сжиматься все сильнее и сильнее, то есть ее коэффициент сжимаемости ? будет возрастать. Но из наблюдений Грасси, Вертгейма, Реньо и др. можно было думать, что это ожидание не оправдывается, потому что их опыты, произведенные от 0¦ до 40¦ Ц., показывают уменьшение сжимаемости В. Однако Пальяни и Вицентини (1883) показали, что это уменьшение ? идет только до 60¦, а затем начинается ожидаемое возрастание сжимаемости, так что ныне сжимаемость В. на одну атмосферу должно выразить следующим рядом цифр:
t = 0 ¦ Ц. ? = 0,000050 t = 25¦ Ц. ? = 0,000043 t = 50¦ Ц. ? = 0,000040 t = 75¦ Ц. ? = 0,000039 t = 100¦ Ц. ? = 0,000041
и должно полагать, что с возвышением температуры выше 100¦ сжимаемость начинает быстро возрастать (см. таблицу уд. веса В. 4-й столбец).
Д. Менделеев.
II. Химические отношения В. Чтобы ясно показать, как глубоко современные познания о В. отличаются от прошлых, даже сравнительно недавних, достаточно выписать из знаменитой французской энциклопедии ("Encyclope die ou Dictionnaire raisonne des sciences, des arts et des metiers" (Diderot et D'Alambert, 1755, t. V, ñ тр. 186) начальные строки статьи Eau. Физические сведения о В. выражены так: "В. есть влажная [объясняется далее, что ртуть есть жидкость, но не влажная, т. е. не смачивающая] жидкость, видимая, прозрачная, весомая, безвкусная [Автор статьи французской Энциклопедии не прибавляет, как то водилось часто в старину, еще одного отрицательного признака ? бесцветности. Он прав. Вода не бесцветна. Сперва Бунзен, а потом подробнее (1883 г.) бельгийский химик Спринг опытом над чистейшею водою показали, что в длинном слое она совершенно явно синего (bleu) цвета. Этим объясняется синий цвет многих вод (Средиземного моря, океанов, некоторых озер и т. п.). Спринг (1886) показал сверх того, что чистая вода не дает при очень большом слое спектральных полос поглощения. Сорель, Фоль и Саразен показали, что в воду Женевского озера фотографически действующие лучи солнца не проникают глубже 200 метров. Опыты Тиндаля, с другой стороны, утвердили тот несомненный ныне факт, что во всяких природных водах (как и в воздухе) висят частицы твердых тел, способные отражать свет и его рассеивать, а потому и наблюдаемые простым физическим опытом. Спринг же показал, что легко получить чистую воду, в которой прием Тиндаля не дает и следов видимых висящих частиц. Далеe Спринг объяснил прямыми опытами (1886), что зеленый цвет некоторых озер, напр., Цюрихского и Люцернского, равно как и другие цвета природных вод, зависят не столько от растворенных в В. веществ, сколько от висящих в В. частиц. Таким образом, бесцветной В. нет.], без запаха и тушит огонь, когда выпущена на него в известном количестве". С химической стороны В. характеризована (стр. 188) так: "В. есть элемент, или первое начало (première principe), вещество самостоятельное, простое (simple), чистое, неделимое и невоспроизводимое (pur, indivisible, inproductible et incommutable)". Эти понятия составляют не что иное, как повторенный свод всего учения древности о В. И поныне у китайских мудрецов читаем такой же набор слов, касающихся "принципа" воды, и не должно думать, что он происходит от простого неведения или от отсутствия наблюдений и опытов, касающихся В. Энциклопедисты, как и китайцы, знали, напр., что многие камни (как гипс, глина и т. п., см. эти слова) содержат воду, что она сама после прокаливания получается обратно, боролись с учением о превращаемости воды в камни и т. п. Это колыбель химических знаний, которые со времен Лавуазье доросли до того, что громадную сумму положительных химических сведений о В. нельзя иначе кратко изложить, как подразделив на более мелкие отделы, а именно: а) состав В., ее анализ и синтез, б) распадение В., в) двойные разложения В., г) соединения В. и д) физиологическая роль В. Эти сведения не исчерпывают всех ее химических отношений, отчасти развиваемых в дальнейших статьях (III-IX) о В.; но они покажут явно, что ныне уж нельзя считать В. элементом или простым телом, что в первый раз громко и с положительными доказательствами выяснено было Кавендишем и в смысле, принятом доныне, вполне объяснено Лавуазье (см. Химия ? история, Кавендиш, Лавуазье).
а) Состав В. Кавендиш показал, что водородный газ, сгорая, дает В. Лавуазье получил ее, пропустив водород (см. это сл.) через накаленную окись железа. Отстранив всякие флогистонные понятия того времени (их защищал Кавендиш), Лавуазье признал В. сложным телом, состоящим только из водорода и кислорода, что составляет основу современных понятий о В. Если в эвдиометр (см. это сл. и Газовый анализ) ввести объем кислорода и вдвое больший объем водорода (оба они упругие газы), а потом через эту смесь (т. е. гремучий газ, см. это сл.) пропустить электрическую искру, то происходит взрыв (см. Взрывчатые вещества) и образуется вода. Если при этом температура низка и давление значительно (как обыкновенные), то В. сжижается, дает капли, занимающие ничтожно малый объем стотысячный доли сравнительно с начальным объемом гремучего газа. Таким путем можно, вводя все необходимые поправки (на давление и температуру, на сухость газов, на объем измерительных сосудов и проч.), узнать, что в состав В. входит ровно (в пределе возможных погрешностей опыта) 2 объема водорода и 1 объем кислорода. Если тот же опыт произвести под малым давлением и при температуре выше 100¦ (напр., в приборе, окруженном парами жидкостей, кипящих выше 100¦, как амиловый спирт, анилин и т. п.), чтобы образующаяся вода осталась в состоянии перегретого пара (см. I), то окажется, что 2 объема водорода + 1 объем кислорода дают 2 объема водяных паров (если объемы все измерены при одной и той же t и том же h, т. е. давлении). Это выражается кратко и на общенародном химическом языке частичною формулою (см. Частицы) воды: H 2 O и уравнением ее образования: 2H 2 +O 2 =2H 2 O. Для понимания этой химической грамоты необходимо ознакомиться с азбучными и грамматическими, если можно так выразиться, понятиями химии, которые излагаются в руководствах к этой науке и отчасти в статьях Словаря: химия, номенклатура химии, формулы химии, частицы и т. п.; необходимость же такого своеобразного выражения, какое применяется в современной химии, явствует уже из того, что она сложилась недавно (со времен Лавуазье, т. е. с конца XVIII века), нашла такие новые понятия и отношения, каких в древности, когда слагались языки, вовсе не было и, открывая всем доступ к своим новооткрытым сокровищам знания, должна, как каждый из нас, заботиться о точности, ясности и простоте своих выражений, потому что это экономирует время и облегчает получение сведений. Зная, что водород в 16 раз легче кислорода, из указанного объемного состава В. тотчас выводится ее весовой состав, а именно: на 1 весовую часть водорода в В. 8 весов. частей кислорода, или на 2 части водорода 16 частей кислорода, как это и выражается через Н 2 О, потому что знак H отвечает 1 вес. части водорода, а знак О ? 16-ти вес. частям кислорода (см. Вес атомов). Но так как измерение значительных объемов газов и определение их относительного веса сопряжены с некоторыми неизбежными погрешностями, то для установления истинного состава В. произведено множество исследований и притом разнообразнейшими способами, входить в специальное описание которых здесь неуместно. Достаточно в виде примера указать на способ Дюлонга, примененный Дюма и многими другими. Берется окись меди, и сосуд с нею взвешивается и накаливается, через него пропускается сухой водород (не взвешивается); образуется водяной пар (он улетает и далее собирается) и металлическая медь (она нелетуча при температуре образования воды), а происходящую В. собирают в охлаждаемом (и предварительно взвешенном) сосуде и в трубках (также предварительно взвешенных), содержащих серную кислоту и фосфорный ангидрид, которые поглощают последние следы водяного пара, образовавшиеся на счет водородного газа и кислорода окиси меди (CuО + Н 2 = Cu + Н 2 О). Таким образом, убыль в весе сосуда с окисью меди (CuО) дает вес кислорода, а прибыль веса сосудов, сгущающих воду, дает вес В., а потому состав воды определяется с точностью, если приняты все предосторожности для получения точного взвешивания (напр., сделана поправка на взвешивание в воздухе, устранена всякая посторонняя влажность, водород взят действительно чистый, равно как и CuО, и т. п.). Наиболее точные современные определения показывают, что на 16 весовых частей кислорода в ней не более 2,014 и не менее (Rayleigh) 2,006 (Keiser) водорода, или на 2 весовые части водорода от 15,89 до 15,95. Множество трудностей, встречающихся при точных определениях этого рода, делают и поныне указанные предельные числа довольно значительно различными. В связи с прежними довольно точными определениями Дюма еще и поныне можно, как признавалось прежде, принимать, что в воде на 2 ч. водорода содержится 15,96 кислорода.
Чтобы видеть отношение В. к составляющим ее газам, весьма важно знать, что они, образуя В., выделяют много тепла, т. е. теряют много своей энергии или, как часто говорят, скрытое в них тепло или часть свойственного им движения (см. Газы, Вещество). Оттого, между прочим, В., происходя из газов, сама в обычных условиях жидка, и от той же причины в В. совершенно исчезает множество выдающихся химических свойств (напр., свойство поддерживать горение) кислорода, хотя он составляет 8 / 9 по весу В. В статье "термохимия" будут указаны в общих чертах приемы, применяемые для определения тепла, отделяющегося при ходе химических реакций, а, следовательно, и при горении водорода, когда он дает воду. Здесь же мы только приведем полученное число, выражающее количество тепла, развиваемого при образовании В., когда горит одна весовая часть водорода и, следовательно, образуется 9 вес. ч. В. Будет ли гореть водород в чистом кислороде или в воздухе, хотя температуры будут разные (при горении в воздухе часть тепла пойдет на нагревание азота воздуха, а при горении в кислороде ? если его количество достаточно для полного сгорания, но не излишне, ? все тепло пойдет для нагревания В.), ? отделится одно и то же количество тепла. Если же образование В. идет на счет водорода или кислорода соединенного, напр., как в предшествующем опыте на счет CuО, или если происходящая вода остается в парообразном состоянии (не охладится до начальной температуры газов или не отдаст скрытой своей теплоты) и т. п., тогда количество тепла, выделяющегося при горении водорода, будет меньшим, чем в обычных условиях опыта, при которых образующаяся В. принимает в калориметре (см. это сл.) ту же температуру, какая была свойственна взятому водороду и служащему для сожигания кислороду. Определения, сделанные многими наблюдателями (особенно же Фавром и Зильберманом во Франции и Томсеном в Дании), указывают на то, что при горении 1-й весов. ч. водорода развивается 34500 ед. тепла (или малых калорий, означаемых через с; это = 34,5 "больших" калорий, что означается 34,5 С. в отличие от обыкновенных, или "малых", калорий) и показывают, что при образовании частичного количества воды Н 2 О, весящего 18 весовых единиц, выделяется 69 С., т. е. 2 грамма водородного газа с 16-ю (точнее, 15,94) граммами кислорода развивают, образуя В., столько тепла, что 69 килограммов воды при 0¦ нагреваются на 1¦ Ц. Это основное термохимическое число имеет значение не только для понимания химических отношений В., но и прямо в практике, потому что В. образуется при горении всех обычных видов горючих материалов (см. это сл.), содержащих водород (см. Водяной газ), и служит для расчета той нагревательной способности, которая им свойственна. Но, пользуясь этим числом, должно иметь в виду, что В. предполагается в жидком виде, чего нет при сожигании горючих материалов (вода в виде паров уходит с дымом), а потому из 69 С. должно вычесть скрытое тепло (см. 1) испарения, чтобы знать теплоту, развиваемую при образовании 18 гр. В. Принимая это скрытое тепло = 500 на 1 весов. ч. воды, получим на 18 гр. 9000 с или 9 С.; следовательно, при образовании 18 гр. Н 2 О, если В. остается парообразною, можно принять, что развивается 60 С.
б) Разложение В. Два вида воздействия на сложные вещества служат основными способами для разложения: нагревание и действие гальванического тока, и оба они в известных обстоятельствах разлагают В. на водород и кислород. Совершенно чистая В. почти не проводит тока ни как проводники (наприм. металлы), ни как электролит (проводники второго рода), но от малейшего количества многих растворимых в В. веществ, напр., солей, кислот и щелочей, В. приобретает электролитические свойства (см. Гальванопроводность) и тогда разлагается на кислород и водород, которые появляются ? первый (кислород) на аноде (сообщающемся с углем, медью, платиной гальван. элемента или гальв. батареи), или положительном электроде, и второй (водород) на катоде (отрицательном электроде, сообщ. с Zn). Обыкновенно берется вода, подкисленная серною кислотою. Не входя в рассмотрение механизма этого (в сущности оч. сложного) способа разложения, заметим только, что при нем явно затрачивается энергия тока, что объясняется тем теплом, которое выделяется при образовании В. из газов и которое, очевидно, должно вновь поглотиться В. при ее переходе в газообразные составные свои части. Количество образующегося при разложении В. гремучего газа обыкновенно служит (см. Вольтаметр) для измерения напряженности тока и (зная данные выше термохимические сведения относительно образования В.) дает возможность судить в каждом случае непосредственно о мере электрической энергии по теплотной, потом и о механической, наиболее доступной непосредственному ощущению.
Высокая температура также может служить для разложения В., хотя при пропускании ее паров через накаленную трубку получают только обратно воду, что служило долгое время для утверждения неразлагаемости В. при накаливании. Но дело в том, что если при накаливании произойдет из В. гремучий газ (т. е. если В. разложится), то он при охлаждении дает обратно В., так как гремучий газ образует В. уже начиная от температур, близких [В. Мейер в 1892 году установил, что медленно протекающий через стеклянные трубки гремучий газ при обыкновенном давлении дает воду (и взрывает) при температурах, лежащих между 606¦ (температура кипения хлористого олова) и 730¦ (темпер. кип. хлористого цинка) Цельсия.] к 600¦ (и даже ниже, смотря по веществу сосуда, см. Контактные реакции), а потому, если водяной пар при накаливании дает гремучий газ, его уже после охлаждения не будет, и, следовательно, убеждение в том, что накаливание разлагает воду, может составиться лишь тогда, когда можно будет отделить водород от кислорода при этой высокой температуре. Хотя Грове уже показал (при помощи капель расплавленной платины, падающей в воду, при чем происходит гремучий газ вследствие быстроты остывания) разлагаемость воды при накаливании, но только Генр. Сен-Клер-Девилль в 1850-х гг. убедил всех в этом, указав способ разделить (хотя и не вполне) при высокой температуре водород от кислорода на основании того, что водород в 4 раза быстрее, чем кислород, проникает через тонкие отверстия стенок накаленной пористой глиняной трубки. Не останавливаясь над описанием практических приемов, для сего примененных [теоретические и опытные подробности, сюда относящиеся, см. статьи: Горение и Диссоциация], важнее всего обратить здесь внимание на то, что не только при температурах, достигаемых в печах, но даже и при гораздо высших (напр., при температурах горения взрывчатых веществ) В. не вполне и только лишь отчасти разлагается накаливанием, а это указывает, что при возвышенных температурах есть условие как для соединения, так и для разложения В., т. е. между водородом, кислородом и водою тогда наступает подвижное химическое равновесие такого рода, что частицы В. разлагаются, но в то же время и вновь образуются, так что для каждой температуры в каждый момент происходит столько же частиц В., сколько их разлагается. Явления этого рода носят название диссоциации и рассматриваются особо (см. Диссоциация). Здесь же мы укажем лишь на то, что в пламени водорода или гремучего газа получаются температуры диссоциации, а от этого зависит то, что внутри пламени нет полного соединения, часть составных начал не соединена и лишь при переходе к наружным, более холодным частям пламени постепенно все частицы гремучего газа дают В., от чего зависит и самое образование пламени как места, в котором совершается постепенное соединение газообразных веществ с отделением тепла и постепенным охлаждением до температур низших, чем те, при которых совершается диссоциация.
Многие другие виды разложения В. (напр., металлами и хлором) должны быть относимы к случаям замещений, которые мы рассматриваем вслед за сим. Но здесь же необходимо указать на то, что сама В. является как продукт разложения множества веществ, а именно или тех, которые образуются из нее и других веществ (см. далее ? соединения воды, г ), или содержат водород и кислород, которые при разложении таких веществ дают воду, как вещество прочное и очень легко происходящее. Так, напр., все органические вещества (см. это слово), содержащие кислород и водород, не выдерживают накаливания и подвергаются при нем так называемой "сухой перегонке" (см. это слово, Дерево, Животный уголь), при чем всегда дают В. Так, она составляет главную массу продуктов сухой перегонки дерева. Взрывчатые вещества (см. это слово), содержащие водород и кислород, также всегда дают В., и она вообще составляет очень обыкновенный продукт химического разложения множества веществ, что и служило одним из поводов считать ее в прежнее время "простым" телом, образующим ряд других веществ и в них содержащимся. Ныне, когда известна та громадная сила, которая должна быть затрачена на разложение самой В., такое явление становится удобопонятным и находящимся в полном согласии со сложностью В. К тому же разряду явлений должно отнести громадный класс химических превращений, когда через посредство веществ, способных отнимать воду, многие тела разлагаются, отделяя воду и образуя новые вещества, не содержащие элементов В. Так, напр., спирт С 2 Н 6 О, теряя при действии крепкой серной кислоты В., дает этилен С 2 Н 4 , а в других условиях и концентрациях ? эфир: С 4 Н 10 О=2С 2 Н 6 О-Н 2 О.
в) Замещение В. Если водяной пар пропустить через накаленное железо (то же производит цинк и многие другие металлы, а также уголь, сера и т. п., см., напр., Водяной газ), положенное в трубку (или иной сосуд), то образуется кислородное соединение железа (Fе 3 О 4 ? окалина) и водород. Здесь взято 2 вещества (железо и вода) и происходит 2 (водород и железн. окалина), а потому проще всего подобные явления рассматривать, как замену водорода воды металлом: кислород был в соединении с водородом, а остается в соединении с металлом. Но можно (на что есть и некоторые основания, особенно после открытия диссоциации) рассматривать подобные случаи как двойные разложения, предполагая, что В. сперва разлагается (тепло при сем поглощается), но освобождающийся кислород сжигает металл (тепло при сем развивается, и в результате получается термохимическая разность количеств тепла), водород же остается, как говорят, свободным, т. е. ни с чем не соединенным. Если подобное разложение идет при температурах низших, чем диссоциационная, то удобоприложимее лишь первое понятие (о замещении); если же при высших (как для железа), то и второе. Некоторые металлы, напр., калий и натрий, реагируют на воду при обыкновенной температуре, другие только при накаливании или при содействии третьих веществ (подробнее о том см. Водород), а некоторые вовсе не выделяют из В. водорода, напр., медь, ртуть, серебро, золото и платина. Различие это зависит от того, что называют "сродством" (см. это слово) или химическим сродством. Это понимается так: кислород имеет определенное стремление к соединению, или сродство (отчасти выражающееся мерою отделяемого при соединении тепла, см. Термохимия), с водородом и с данным металлом; если первое менее второго, то вода разлагается, если же наоборот, то разложения нет. Одно из очевидных следствий такого предположения состоит в том, что во втором случае (когда металл не разлагает воду и его сродство к кислороду менее, чем к водороду) водород должен отнимать кислород от металлических окислов металлов, не разлагающих воду, ? совершенно оправдывается. Действительно, водород, пропущенный через накаленную окись меди (см. выше, а ), дает воду и, следовательно, вытесняет металл. Но между железом и водородом по отношению к кислороду существует конкуренция: избыток водорода вытесняет железо (см. Восстановление) из его окиси, и избыток железа вытесняет водород из В., или окиси водорода, так что, накаливая смесь водорода и железа с количеством кислорода, недостаточным для соединения с обоими ими, получим распределение кислорода между Fe и Н. Это случай наиболее общий и входящий в разряд тех явлений химических равновесий, которые выступил в новой химии на первый план, после того как утвердилось понятие о диссоциации (см. это сл.).
Как металлы способны вытеснять из В. водород и им вытесняться из своих кислородных соединений, так хлор способен вытеснять кислород В. и им вытесняться, потому что имеет большое сродство к водороду (см. Галоиды, Хлор). Вода, насыщенная хлорным газом, при действии прямого солнечного света (см. Фотохимия) прямо дает кислород, хлор же образует хлористый водород, хотя не до конца (опять случай равновесия и распределения). Бром действует слабее, а йод вовсе так не действует, но фтор очень легко вытесняет кислород воды, как натрий ? водород.
Сама В. является как целое в виде продуктов реакций замещения чрезвычайно часто во множестве случаев, т. е. два тела А и Б , реагируя друг на друга, дают новое тело С и H 2 О, причем по самому составу часто совершенно очевидно, что кислород, иногда с частью водорода, берется от одного реагирующего вещества А, а водород от В.; напр., азотная кислота HNO 3 с бензолом С 6 Н 6 дает нитробензол C 6 H 5 NO 3 и воду, или спирт С 2 Н 6 О с хлористым водородом НСl дает хлористый этил С 2 Н 5 Сl и воду Н 2 О. Очевидно, что случай этот близок к тому, который выше рассмотрен (б) как образование В. при распадениях.
Но и В. способна изменять многие другие целые частицы тел, потому что действует своими элементами и как целое сама имеет свои сродства, ясно видимые в способности В. к соединениям (см. далее, г). Так, например, хлористый магний при накаливании с В. дает хлористый водород, образуя окись магния:
MgCl 2 + Н 2 О = MgO + 2НСl.
Так, при действии В. на азотно-висмутовую соль (см. Висмут) даже при обыкновенной температуре вытесняется азотная кислота, и на ее место вступают элементы воды.
г) Соединения В. Хотя при образовании В. из водорода и кислорода выделяется много тепла, или скрытой (химической) энергии, простых газов, но и в самой В. заключается значительный ее запас, влекущий В. во многие соединения и выделяющийся в виде тепла, при сем случае образующегося, ибо нет основания полагать, что оно все происходит из запаса, содержащегося в веществе, соединяющемся с В. Так, окись натрия Na 2 O (опыт H. H. Бекетова), присоединяя частицу (18 вес. единиц) воды Н 2 О и образуя едкий натр 2NaHO, выделяет 35 1 / 2 С., то есть более половины того количества тепла, которое освобождается при образовании Н 2 О. Окиси бария и кальция (известь) и безводные кислоты (ангидриды кислот), соединяясь с В., также выделяют много тепла. Одна из таких реакций общеизвестна в практике под именем гашения извести (см. это слово) и состоит в прямом соединении СаО с Н 2 О, при чем образуется водная, или гашеная, или едкая известь СаН 2 О 2 . Такие виды соединений В. носят общее название гидратов и рассматриваются под этим словом. Сила, удерживающая В. в гидратах, весьма различна в разных случаях, что проявляется не только в количестве выделяемого тепла, но и в степени прочности. Так, едкий барит ВаН 2 О 2 при накаливании В. не выделяет, а едкая известь СаН 2 О 2 очень легко, гидраты глинозема, кремнезема и т. п. того легче, хотя (Карнелли) и не сразу, а лишь последовательно. Гидратация в различной мере свойственна массе разнообразнейших веществ, и при ослаблении меры притяжения получаются многие разнообразные виды и случаи подобных соединений с В. Особо примечательны при этом, сверх вышеупомянутых, четыре случая: 1) кристаллические гидраты солей, или кристаллогидраты, которые ближе рассматриваются под этим словом; 2) студенистые гидраты, рассматриваемые в статьях коллоиды и гидрогели; 3) растворы (см. это сл.), или неопределенные жидкие соединения веществ с В., представляющие малую прочность и всевозможные переходы к физико-механическому явлению равномерного смешения с водою, которые проявляются в эмульсиях (см. это слово), и 4) гигроскопичность, или поверхностное поглощение В., рассматриваемое под этим словом. В этих случаях присоединения воды видны всевозможные и последовательные переходы от прочных определенных химических соединений, или гидратов, подобных едкому бариту, к простому испарению В. или распределению ее в воздухе и других газах (см. Диффузия), и этот постепенный переход от физико-механических притяжений к тем, которые вызываются химическими силами, встречаясь при опытном изучении вещества на каждом шагу, служит одним из важных результатов естествознания, заставляющим смотреть на вещество (см. это слово) как на скопление индивидуальностей (так называемых атомов простых тел, или элементарных атомов и частиц), изменчивые свойства и формы которых указывают на неизменную сущность вещества, доныне постигнутую в виде химических элементов. д) Физиологическая роль В. Всякому известна чрезвычайная зависимость всей жизнедеятельности как животных, так и растений от В. ? без нее смерть. Возможность жизни со всею ее эволюциею обусловливается не только присутствием В. и ее содержанием в организмах, но и ее постоянным возобновлением, происходящим или через принятие В. внутрь, или через осмотическое проникновение ее сквозь наружные покровы внутрь клеток (см. Осмос), что становится необходимым прежде всего потому, что поверхность тела испаряет воду, а извержения, напр., моча, уносят ее из тела, и еще потому, что весь обмен и рост частей тела организмов происходит не иначе, как при помощи веществ, переходящих в раствор, и в этом-то растворенном (в воде) виде совершается усвоение всяких веществ телом организмов. Для такой цели существуют в организмах своеобразные выделения, напр., в нашем теле: слюна, поджелудочный сок и т. п., переводящие нерастворимые (в воде) питательные вещества в растворимые (напр., белковые вещества в пептоны, крахмал в декстрин и глюкозы и т. п.), в растворенной форме поглощенное вещество переходит в систему сосудов, по которым раствор (как, напр., кровь в теле людей) разносится по телу, и здесь растворимое вещество часто опять переходит в нерастворимую форму частей тела и совершаются всякие превращения (напр., окисление при дыхании, образование мочевины и проч.), результатом которых являются пагубные (ядовитые, напр., птомаины, см. это слово) организму вещества, выносимые из тела опять не иначе, как при содействии избытка извергаемой воды. Таким образом, В. всюду необходима, во всех действующих органах и в каждой живущей клеточке. Если внутренность дерева, масса костей, волоса, раковины (см. эти сл.) и т. п. содержат менее В., чем остальные части тела, то это связано с тем, что эти части или не живут сами по себе, или живут лишь на счет проникающих их растворов, напр., кости на счет крови, сосуды с которой в них проникают, или дерево на счет камбиального слоя, очень богатого В. Поэтому полная зависимость органической жизни от В. находит свое объяснение в ходе превращений, в них происходящих и состоящих в тех или иных формах передвижения вещества. Для этого передвижения при замкнутости органических индивидуумов, очевидно, необходима жидкая В., чем уясняется прекращение жизнедеятельности при превращении В. организмов в лед, хотя и при низших внешних температурах жизнь теплокровных, как известно, продолжается. Сверх того, необходимо обратить внимание на то, что усвояемость веществ организмами обусловливается всегда великим избытком В. или, иначе сказать, слабостью растворов. Питательная для растений смесь растворимых солей (К, Са, Mg, Fe и SO 4 , Cl, NO 3 и PO 4 ) только тогда служит для вызова нормальных явлений и полной зрелости, когда растворы очень слабы (менее десятых процента), крепкие же растворы тех самых питательных начал ? убивают растения, что в известной форме повторяется и над животными. Это зависит от соотношения между внешним и внутренним раствором организмов и показывает вновь, что В. своим избытком вполне необходима для жизни. То же показывают исследования состава целых организмов и отдельных их частей, находящихся в периоде жизнедеятельности. В 100,0 килограмм. [дневная потеря (пот, извержения и т. п.) воды у человека достигает 2-3 клгр., или около 3%] веса взрослых людей содержится не менее 70,0 килогр. воды, у детей гораздо более, до 90,0 килогр.; в крови более 80,0 килог. Приводим в % весовое содержание В. в некоторых свежих растениях и их частях: картофельные клубни 75%, свекла 88%, огурцы 95%, кочанная капуста 85%, шпинат 88% и т. д.
Д. Менделеев.
III. Вода в природе. На поверхности земли В. встречается во всех трех физических состояниях. В виде паров вода носится в воздухе; в жидком виде она наполняет океаны и моря, озера и реки, выбивается из-под земли в виде ключей. В твердом виде В. покрывает вершины гор, достигающих известного предела высоты, а в околополярных странах составляет своего рода горную породу. Было время, как нам говорит геология, когда вся масса В. находилась в парообразном состоянии в атмосфере и лишь с течением времени, по мере охлаждения земли, а с ней и атмосферы, В. выпала из атмосферы и осадилась на земную поверхность. Это выделение В. из атмосферы мы наблюдаем в виде туч, облаков, туманов, росы, инея, дождя, снега и града. На наших глазах происходит круговорот В. в природе: испаряясь с громадной водной поверхности, представляемой океанами и морями (по Лаппарану, из 510 млн. кв. км всей поверхности земли около 375 млн. кв. км приходится на долю В.), В. переходит в атмосферу, откуда обратно осаждается, при чем, встречая сушу, собирается в ручьи, реки, отводящие ее обратно в моря и океаны, откуда она испарялась. Рассматривая В. в природе, естественно остановиться на этих трех стадиях ее круговращения. Первая стадия ? В. в атмосфере, где происходит ее восходящий от земли и нисходящий ток; вторая стадия ? В., текущая по земной поверхности, и, наконец, третья стадия ? В., уже собравшаяся в гигантские водоемы, которые мы называем морями и океанами.
Атмосферная вода. В., находящаяся в атмосфере и из нее выделяющаяся в виде росы, инея, снега, дождя и града, носит название атмосферной. Количество атмосферной В., ежегодно выпадающей, изменяется в зависимости от географического положения данной местности, оно измеряется вышиной столба В., даваемой осадками. Приведем несколько примеров, которые покажут, в каких пределах колеблется годовое количество водных осадков, выражая в сантиметрах высоту слоя выпавшей В.: Черранонжи (Ассам) 1253, Паданг (Суматра) 480, Берген (Норвегия) 225, Нью-Йорк ? 120, Генуя ? 118, Рим ? 78, Берлин ? 57, Вена ? 4 5, Мадрид ? 38, Копиано (Чили) ? 1. Для России: Наибольшие ? Даховский посад (западное Закавказье) 206, Кутаис ? 179; средние: Москва ? 55, С.-Петербург ? 47; наименьшие: Нукус (Средняя Азия) 7, Петро-Александровск ? 6. Когда водяные пары сгущаются в высших слоях атмосферы и падают на земную поверхность в виде дождя, града или снега, то они достигают земли, всегда содержа в растворе большее или меньшее количество газов, составляющих атмосферу. Количество газа, содержащегося в дождевой В., зависит от растворимости этого газа в В., а также от того, в какой пропорции сам газ находится в атмосфере; это количество при прочих равных условиях будет тем больше, чем ниже температура дождевой В. и чем выше атмосферное давление. В дождевой воде, собираемой вдали от городов, больше всего будет азота и кислорода, кроме них будет еще всегда присутствовать малое количество углекислоты. По Рейхардту (Reichardt), 1 литр дождевой В., собранной в январе при 4¦, содержит 32,4 куб. сан., в июне при 15¦ ? 24,9 куб. с. газа следующего состава: в январе кислорода 31,8%, азота ? 61,5, углекислоты ? 6,7; в июне ? кислорода 27%, азота 64,2, углекислоты 8,8. Наряду с газами дождевая В. содержит различные твердые вещества, увлекаемые из атмосферы. Некоторые из них, как, напр., хлористые, сернокислые и азотнокислые соли натрия, кальция и аммония, растворяются в дождевой В., другие, как, напр., частицы пыли и сажи, увлекаются водою механически. Вообще, в атмосферной В. можно найти все, что находится в атмосфере, все, что выделяется в атмосферу из жилья человека. Чтобы дать понятие о том, в каких количествах встречаются те или другие примеси в дождевой В., мы приводим ниже таблицу, данную Жильбертом (Gilbert) на основании анализов В. 69 дождей и др. осадков, собранных в Ротамстете близ Лондона. В миллионе весовых частей:
Вывод Жильберта. Окрестности Лондона.
Твердый остаток
Углерод в орган. вещест.
Азот в виде
Хлор
Углекислые магний и кальций
Органическ. в-в
Аммиака
Азотной кислоты
Весь азот
В дожде, на 1000000 весов. частей: Maximum
85,8
3,72
0,66
1,28
0,44
1,94
16,5
16,0 Minimum
6,2
0,21
0,03
0,04
0,01
0,13
0,0
0,0 Средн. 69 дожд.
83,1
0,90
0,19
0,37
0,14
0,70
8,1
4,7
Состав росы и инея, в 1000000 частей Maximum
80,0
4,50
1,96
2,31
0,50
4,55
8,0
25,0 Minimum
24,4
1,95
0,26
1,07
0,28
1,66
3,5
13,0 Средн. 7 проб
48,7
2,64
0,76
1,63
0,40
2,79
5,3
19,0 Состав летних, зимних дождей и средний ? за весь год, в миллионе час. Количество водяных осадков ниже 10 дюймов
88,2
0,95
0,21
0,46
0,12
0,79
4,2
-
В летние месяцы от апреля до сентября Ниже 10 дюймов 42,2 1,10 0,17 0,48 0,17 0,82 3,2 -
В зимние месяцы, от октября до марта Ниже 10 дюймов 35,0 0,83 0,25 0,44 0,10 0,79 5,0 -
Состав дождя (на млн. частей), собранного в 3 часа попол. 40,8 0,93 0,18 1,07 0,18 1,43 1,0 - в 4 ч. 30 мин. 29,4 0,62 0,19 0,37 0,13 0,69 0,8 -
Прежде всего обратим внимание на различие, представляемое дождевой В. и В. росы и инея; оказывается, как это и наперед можно было ожидать, что количество примесей вообще больше в В. росы и инея, чем в В. дождей. Ожидать этого можно было потому, что роса и иней представляют собою атмосферную воду, сгустившуюся и осевшую на землю из более низких слоев атмосферы, чем дождевая В., поэтому в В. инея и росы должно быть больше тех примесей, которые выделяются из почвы или подымаются в воздух с ее поверхности ветром, как, напр.: цветочная пыль, или другие части растений, или целые растительные микроорганизмы. Понятно также и увеличение содержания аммиака и азотной кислоты в В. инея и росы сравнительно с их содержанием в дождевой В.; аммиак и азотная кислота являются продуктами разложения животных или растений, находящихся в почве или на ее поверхности, а потому чем ближе будет сгущаться атмосферная В. к месту образования аммиака и азотной кислоты, тем больше она их будет содержать. Количество примесей не постоянно для разных дождей, росы и инея; оно изменяется довольно значительно в зависимости от количества сгустившейся и выпавшей атмосферной воды, времени года (см. результаты анализов 22 дождей, 10 летних и 12 зимних) и т. п. В. летних дождей отличается от В. зимних дождей большим содержанием как вообще всех твердых веществ, так и большим содержанием углеродистых веществ, аммиака и азотной кислоты. Увеличение содержания твердых веществ в В. летних дождей объясняется большею сухостью почвы, а, следовательно, и большим количеством пыли, носящейся в атмосфере. Высокая летняя температура обусловливает более интенсивное развитие процессов гниения, доставляющих атмосферной воде аммиак. Число гроз несомненно больше летом, чем в осенние и зимние месяцы, а потому и содержание азотной кислоты, образующейся при электрических разрядах в атмосфере, увеличивается в летние месяцы. Повышение содержания углерода в летней дождевой В. рядом с понижением содержания азота, входящего в состав органических веществ, говорит в пользу того, что летом в дождевой В. больше свежих растительных веществ, а зимой органические примеси к атмосферной В. состоят главным образом из продуктов гниения. Влияние географического положения места на состав дождевой В. будет видно из следующей таблицы (на 1 млн. весов. ч.).
Местность
Азот в виде
Хлор
Серная кислота
аммиака
азотн. кисл. Англия, деревни внутри страны
0,88
0,19
8,88
5,52 Англия, города внутри страны
4,25
0,22
8,46
34,27 Шотландия, деревни на берегу моря
0,61
0,11
12,24
5,64 Шотландия, деревни внутри страны
0,44
0,08
8,28
2,06 Шотландия, города внутри страны
3,15
0,30
5,70
16,50 Шотландия, Глазго
7,49
0,63
8,72
70,19
Сравнивая состав городской и деревенской дождевой воды, мы видим сильное увеличение содержания аммиака и серной кислоты в В. городов, равно как и меньшую, хотя все-таки довольно значительную, прибыль хлористых и азотнокислых солей. Хлористых солей больше всего находится в дождевой В., упавшей близ моря, что вполне подтверждает морское происхождение хлористых солей, находимых в дождевой В. Все, что мы говорили выше о составе дождевой В., относилось к дождям, выпавшим в разное время. Посмотрим теперь, как изменяется состав В. одного и того же дождя, смотря по тому, когда и как мы ее собираем. Дождь увлекает из атмосферы не только некоторое количество составляющих ее газов, но и все, что в ней находится; другими словами, дождь промывает атмосферу; чем дольше идет дождь, тем все меньше и меньше остается в этом месте различных примесей к атмосферному воздуху. Собирая первые и последующие порции одного и того же дождя, мы необходимо заметим в последних уменьшение примесей. В таблице I мы найдем состав двух порций одного дождя, из которых вторая собрана через полтора часа после первой; эта вторая порция содержит всех примесей меньше. Резче всего это вымывание дождем атмосферы должно сказаться на содержании аммиака, так как из всех примесей к дождевой В. этот газ отличается наибольшею растворимостью в В. Действительно, Буссенго (Boussingault) собрал и исследовал пять порций одного и того же дождя, и оказалось, что первая порция содержала 6,6 гр. аммиака в тонне, вторая 8,07, третья 1,4, четвертая 0,39 и пятая 0,36. Чем ближе к почве, откуда выделяется аммиак, мы будем собирать дождевую В., тем больше аммиака она будет содержать. Так, Бобьерр (Воbierre) собирал в 1863 г. в Нанте одну ту же дождевую В. на высоте 7 и 47 метров, и вот какое содержание аммиака он нашел: январь ? на 47 м 5,23, на 7 м 6,70, февраль ? 4,61 и 5,90, март ? 1,88 и 8,62, апрель ? 1,84 и 6,68, май ? 0,75 и 4,64, июнь ? 2,22 и 3,97, июль ? 0,27 ? 2,70, август 0,26 ? 2,11, сентябрь 1,43 и 5,51, октябрь ? 1,69 и 4,29, ноябрь ? 0,59 и 4,48, декабрь ? 3,18 ? 15,67. Снег точно так же содержит аммиак, и чем дольше снег лежит, тем богаче в нем содержание аммиака. Так, по Буссенго, вода, полученная из только что выпавшего снега, содержала 1,78 гр. аммиака, а когда этот же снег полежал 36 часов на садовой почве, то содержание аммиака возросло до 10,34 гр. в тонне. Конечно, увеличение содержания аммиака по мере того, как снег лежит, происходит там, где из почвы выделяется аммиак; если же взять хотя бы и долго лежавший снег с вершин пустынных гор, то содержание аммиака будет незначительно, а то и вовсе аммиака не будет. В снеговой воде на вершине С. Бернарда Буссенго нашел лишь следы аммиака, в снеге с Велана (3760 м высоты) в 1 куб. м 0,1 гр., Mer de Glace (Монблан, 1350 м) 0,13, Gornergletscher (2400 м) ? 0, Aletschgletscher (2200 м) ? следы, Kaltenwassergletscher (3565 м) ? 0. Содержание аммиака и азотной кислоты в атмосферной воде привлекало внимание многих исследователей, потому что некоторую часть необходимого для жизни растений азота почва получает из атмосферной В. именно в виде этих соединений. Азотистая кислота также, положим, встречается в атмосферной воде, однако лишь в виде следов, т. е. количеств, не допускающих точного определения. В тех местах, где жжется много каменного угля, в атмосферу наряду с прочими продуктами горения выделяется сернистый газ, окисляющийся в воздухе в серную кислоту, которая таким образом и попадает в атмосферную В. Вблизи одной химической фабрики Schmith'ом было найдено в тонне дождевой В. 70 гр. серной кислоты. Дождевая В. в Ливерпуле содержала в 1 тонне 35 гр., в Нью-Кэстле на Тайне 430, в Манчестере 5 0 и притом большею частью в свободном состоянии. Так как сернистый газ весьма растворим в В. (100 объемов В. при 0¦ растворяют 688 об. этого газа), то неудивительно, что атмосферная В., остающаяся на земной поверхности в таких местах, напр., в виде снега, быстро обогащается этим газом. По Зендтнеру (Sendtner), свежевыпавший снег в Мюнхене содержал 7 гр. серной кислоты в тонне, на следующий день 17,6, через 10 дней 62,2, а спустя 16 дней ? 91,8 гр. В снеге, вобравшем в себя сернистый газ, происходит окисление последнего в серную кислоту. Свежий снег, напр., содержит 3,1 гр. серной кислоты и 3,4 сернистой кислоты, почти поровну, пролежавший два дня ? 29,4 серной кислоты и 1,6 сернистой. Серная кислота попадает в атмосферную В. также в виде своих солей вместе с другими солями, главным образом хлористым натрием. Соленые брызги волн разносятся ветром; соли, получающиеся после испарения В. этих брызг в виде мелких кристалликов, подхватываются и уносятся ветром еще дальше и наконец падают на землю, увлекаемые из атмосферы дождевым потоком. Как уже было сказано, значительную часть солей, содержащихся в атмосферной В., составляет хлористый натрий. Дальтон нашел в Манчестере в 1 тонне дождевой В. ? 133 гр. хлористого натрия, а английская Hivers' Pollution Commission в 1 8 74 году в Ландсенде даже 950 гр. в тонне. Среднее содержание хлористого натрия в атмосферной В. видно по хлору приведенной выше таблицы Жильберта; там же можно видеть и колебания этого содержания. Так как хлористый натрий образуется при горении некоторых веществ и находится в дыме городских труб, то будет поэтому понятно некоторое увеличение содержания хлористого натрия в городской атмосферной В. сравнительно с деревенской. Кроме всех перечисленных, так сказать, наиболее характерных и обильных примесей к атмосферной В., мы укажем еще на присутствие железа; оно попадает в атмосферную В. как главная составная часть метеорной пыли, носящейся в атмосфере. Тиссандье в снеге Парижа и Норденшильд в снеге полярных стран нашли железо, хотя и в очень малых количествах. Иногда количество механически увлекаемых из атмосферы веществ становится настолько значительным, что дожди получают особые названия, напр.: кровяной, серный и т. д. Большею частью такие названия далеко не отвечают сути дела. Кровяной или красный дождь и снег, несколько раз наблюдавшийся в Швейцарии, а также и других странах, по объяснению Эренберга (Ehrenberg), есть не что иное, как обыкновенные снег и дождь, осадившие на землю пыль красного цвета, принесенную пассатными ветрами. Так называемый серный дождь есть цветочная пыль сосны, унесенная ветром в большом количестве и осажденная на землю атмосферной водой.
Вода источников. Атмосферная В., попадая на земную поверхность, проникает в почву и углубляется в нее, пока ей это позволяет б о льшая или меньшая водопроницаемость пород, почву составляющих. Дойдя до водонепроницаемого слоя, она образует подземные потоки, которые направляют свое течение сообразно с уклоном водонепроницаемого слоя в ту или другую сторону. Эти подземные водные потоки, получая выход на поверхность земли естественным путем, образуют так называемые ключи, или источники. Искусственным путем источники В. получаются рытьем (колодцы) и бурением (артезиан. колодцы). Протекая глубоко под землею, В. может сильно нагреться. Вследствие этого нередко встречаются источники с температурой воды гораздо выше средней годовой температуры того места, где они выходят. Нередки источники с температурой воды до 30¦ и более, даже имеются источники, В. которых нагрета до 100¦ и выше. Самыми знаменитыми горячими источниками должно считать гейзеры в Исландии, С. Америке и др. Особенно много горячих источников встречается в местностях с ясно выраженным вулканическим характером, напр., в National Park в Монтане (Север. Америка), Новой Зеландии, Японии. Противоположное горячим источникам явление представляют холодные источники, температура воды которых ниже средней годовой температуры места их выхода. Холодные ключи происходят таким образом: снег и лед, покрывающие горы, тают, и образующаяся при этом холодная вода проникает через глубокие трещины в долины, где и выходит холодным источником. Таковы у нас в России источники в Заилийском Алатау, в долине Иссык-Куля. Температура воды в них 5¦ Ц., между тем как средняя годовая температура этой местности 6¦,1 Ц.
Рассмотрим теперь химический состав В. источников. Метеорная В., как уже было разобрано, содержит в растворе многие вещества, твердые, жидкие и газообразные. К этим уже растворенным веществам прибавляются новые по мере проникновения метеорной воды в почву и движения ее вдоль водонепроницаемого слоя. Вполне очевидно, что процеживание сквозь почву уже само по себе, независимо от вступления новых, в почве находящихся веществ, должно изменять количество и качество растворенных в В. веществ. Кислород, всегда находящийся в растворе в метеорной В., при проникновении ее в почву идет на окисление различных органических веществ, равно как и на перевод в высшие степени окисления солей закиси железа, марганца и др. металлов. Поэтому понятен тот факт, что В. источников содержит весьма мало, а то и вовсе не содержит свободного кислорода в растворе. Так, В. артезианского колодца в Гренеле глубиною в 548 м, взятая с глубины 4 м, вполне свободна от кислорода. Но как только В. источников приходит в соприкосновение с воздухом, тотчас же она растворяет его в довольно значительных количествах, а так как растворенный в В. кислород полезен для организмов, то как общее правило следует принять, что воду артезианских колодцев следует перед употреблением для питья сперва заставлять проникать через воздух, напр., заставить падать каскадом.
Другие вещества, почти постоянно находящиеся в метеорной В., аммиак и азотистые вещества, также поглощаются почвой и таким образом удаляются из В., содержавшей их в растворе. Аммиак и азотная кислота весьма важны для питания растений как источники необходимого для жизни растений азота, который хотя и находится в свободном состоянии в атмосфере, но не может оттуда усваиваться растениями. Метеорная В. переносит азотистые вещества из атмосферы в почву и притом в виде соединений, удобных для усвоения растениями.
Средним числом можно считать, что метеорная В. доставляет одной десятине почвы в течение круглого года до 10-15 килограм. азота в виде его соединений. Взамен отдаваемых почве вода получает от нее новые вещества, которые растворяет и уносит с собой. Из разных газов, растворяемых В. источников, в наибольшем количестве встречается в ней углекислота. В. источников получает растворенную в ней углекислоту частью еще из атмосферы, но в значительной мере она обязана углекислотою процессу дыхания всевозможных растительных и животных организмов, находящихся в почве, равно как и процессу их гниения. В В. источников различают: 1) связанную углекислоту, т. е. такую углекислоту, которая образует с основаниями, находящимися в воде, средние углекислые соли; 2) полусвязанную углекислоту, т. е. такую, которая образует с растворенными в В. углекислыми солями так называемые двууглекислые соли; такую углекислоту можно удалить из раствора кипячением; наконец, 3) свободную углекислоту, которая просто растворена в В. В некоторых местностях В. источников растворяет углекислоту в количествах, выражающихся много раз взятым объемом самой В. В., содержащая в растворе углекислоту, производит невидимую, но непрестанную работу разрушения горных пород, в состав которых входят углекислые соли кальция, магния, железа и других металлов, так как углекислые соли этих металлов, мало растворимые в обыкновенной В., делаясь двууглекислыми, становятся растворимыми, и таким образом вода, содержащая в растворе углекислоту, растворяет их и переносит в другое место и там вновь отлагает их, образуя новые породы (туфы, травертины ? см. далее и Минеральные воды). Вода, проникая в почву, где постоянно идут процессы гниения растений, уносит с собою продукты гниения. Некоторые органические вещества кислого характера даже получили название креновых и апокреновых кислот, т. е. источниковых, вследствие их нахождения в воде источников. Такое название было им придано Берцелиусом, впервые указавшим на их присутствие в воде одного источника, бившего в болотистой местности Остготланда. 1 куб. м такой воды содержал 53 гр. этих веществ. Вода, содержащая в растворе подобные органические кислоты, действует на многие минералы разрушительным образом, как и вода, содержащая углекислоту. Кроме того, такая вода действует и раскисляющим, т. е. кислородотнимающим образом, так как гуминовые и креновые кислоты сами способны окисляться на счет кислорода других веществ. Поэтому становится понятным нахождение низших органических кислот (пропионовой, уксусной, муравьиной, до углекислоты включительно) как продуктов окисления гуминовых и ульминовых веществ, заключающихся в растворе В. некот. источников.
В городах и селениях вода источников загрязняется человеческими и животными отбросами. Эти отбросы, попадая в почву, испытывают род брожения или распадения под влиянием бесчисленных микроорганизмов, гнездящихся в почве. Конечным результатом этого брожения благодаря окислительному действию воздуха являются углекислота, аммиак, азотная и азотистая кислоты. Азотсодержащие вещества, аммиак, соли калия, соли фосфорной кислоты в значительной степени задерживаются почвой, между тем как соли хлористые, азотнокислые и сернокислые беспрепятственно уносятся циркулирующей в почве водой. Сернокислые соли берутся водою частью из почвы, где они находятся в виде гипса, частью происходят вследствие окисления тех же отбросов, которые всегда содержат некоторое количество серы (см. далее В. для питья, В. сточные и В. минеральные).
Само собою разумеется, что количество растворенных веществ для данного источника не остается строго постоянным, но меняется в зависимости от прибыли или убыли метеорной воды, его питающей, другими словами, меняется в зависимости от количества атмосферных осадков данной местности, а также и других причин. Вот, например, ряд анализов воды одного и того же источника в Иглау, произведенный одним и тем же наблюдателем Ленцом, причем пробы были взяты в четыре разные дня.
Тверд. вещества
Азотная кисл.
Азотистая кисл.
Хлор
Известь
Магнезия
Аммиак
Органич. вещест. 11 ноября 1877 г.
190
47
-
28
27
1
-
12 9 декабря 1877 г.
480
149
2
92
67
11
0,1
29 13 января 1878 г.
430
5
1
85
44
25
25,0
600 10 февраля 1878 г.
120
29
2
21
18
4
0,8
34
Значительную изменчивость состава по времени года и по другим влияниям замечают и во всех других источниках, но эти изменения всегда определяются довольно узкими пределами. Все это особо ясно выражается в исследовании В. Друскеникских источников проф. А. А. Иностранцевым, который в этом частном примере подробно разобрал одно из общих явлений природы (подробности см. Друскеники).
Если одно какое-нибудь вещество, газ или твердое минеральное тело, начинает преобладать над другими, то вода источника приобретает особые характерные свойства, за которые этот источник назыв. минеральным. В. некоторых минеральных источников оказались полезными при лечении болезней, вода других служит для извлечения из нее полезных человеку минеральных веществ, в ней растворенных. Источники, содержащие в растворе значительное количество углекислоты, называются углекислыми, или кислыми (Нарзан, Спрудель); вода их шипит, выделяя углекислоту, имеет кислый, освежающий вкус и окрашивает синюю лакмусовую бумажку в красный цвет; если в воде углекислых источников есть еще щелочи, то их называют щелочно-углекислыми (Виши, Зальцбруннен); соленые источники ? содержащие поваренную соль (Старая Русса, Столыпинские, Бусские, Друскеники, Крейцнах, Пирмонт, Висбаден, Баден-Баден, Ишль и др); щелочно-соленые (Эссентукские 17 и 18, Эмс, Екатерининский в Боржоме и др.); щелочно-глауберовые, где вместе с углекислым натром много глауберовой соли (Гори, Эссентуки 4, Карлсбад, Мариенбад, Франценсбад и др.). Источники, содержащие сероводород, легко узнаются по запаху тухлых яиц и по тому, что вода их дает с солями свинца черный осадок; они носят название серных или сернистых (Псекунские, Пятигорские, Тифлисские, Сергиевские, Горячеводские, Каракайтакские, Аахенские, Люшон и др.). Железные источники, вода которых имеет чернильный вкус и настоем чернильных орешков окрашивается в черный цвет, находятся в Полюстрове, Швальбахе, Липецке и др. м.; железно-щелочные (Франценсбад, Железноводск и др.); железно-соленые (Зельтерс, Столыпинские); железно-известковые (Пирмонт, Криницы, Уравельские, Загверские и др.); купоросные, содержащие сернокислую закись железа (Марциальные в Петрозаводске, купоросные в Пятигорске и др.). Источники, обильные содержанием сернокислых солей магния и натрия, называются за вкус их воды горькими (Зедлиц, Каррас в Пятигорске, Киссинген, Чокракский источник). Очень часто встречаются жесткие, или землистые, источники, содержащие главным образом соли кальция, углекислую и сернокислую. Наконец, упомянем о кремнекислых источниках, содержащих в растворе кремнезем (гейзеры Исландии и Новой Зеландии), и борных источниках, т. е. содержащих борную кислоту (тосканские фумаролы).
Речная вода. Речные, или проточные, воды питаются прежде всего тою частью атмосферных осадков, которая не успела испариться или проникнуть в почву, т. е. стекают по поверхности почвы в нижележащее русло рек; затем, водою, происходящею от таяния снега и льда, и, наконец, водяными подземными жилами, выходящими на поверхность земли в виде источников. Сказанное объясняет состав речной воды, которая содержит в растворе как атмосферные газы (азот, кислород, углекислоту), аммиак, азотную кислоту и азотистую кислоту, т. е. то, что содержится в метеорной В., так и минеральные примеси, встречающиеся и в атмосферной В., и в В. источников. Кроме этих растворенных веществ, В. рек уносит с собою массу твердых частиц, мелких и крупных, в виде ила и мути. Что касается газов, кислорода и азота, содержащихся в речной В., то количество их сравнительно постоянно, так как главная причина их растворения в речной В., давление атмосферы, изменяется весьма мало, да и состав атмосферы везде одинаков. Литр В. содержит обыкновенно от 40 до 55 куб. см газа (0¦ и 760 mm). Зимою содержание газов больше, чем летом и осенью. Положив среднее содержание газов в речной В. 50 куб. см в литре, можно принять средним числом, что на долю азота приходится 20 об., на кислород 10 об. и на углекислоту 20 об. Большее содержание последней, даже принимая во внимание ее значительную растворимость, заставляет с вероятностью полагать, что она главным образом попадает в речную В. из почвы, т. е. с водою источников, а не из атмосферы, где количество ее сравнительно с количеством кислорода и азота незначительно. Количество твердых растворенных примесей увеличивается в речной В. во время засухи и уменьшается в половодье; наибольшее количество таких примесей находится в реках пустынь (испарение воды), а наименьшее в ледниковых (большая чистота В., происходящей от таяния льда). Между растворенными в речной В. веществами преобладают углекислые и сернокислые соли кальция, магния, хлористые щелочные металлы, кремнезем и органические вещества. Количество растворенных солей изменяется в зависимости от свойств пород, размываемых рекой. В тонне (= 1000000 граммов) речной воды содержится всего (органических и минеральных) растворенных твердых веществ следующее количество грамм.: Нева 55 (Трапп), Дон 124, Днепр 187, Дунай от 117 до 234 (как и во всех больших реках, сильно изменчиво по месту и времени), Луара 135, Сена от 190 до 432, Темза выше Лондона около 400, а ниже Лондона около 1600, река Св. Лаврентия 170, Рейн от 158 до 317, Нил 1580, Иордан 1052 и т. д. Везде, где много раз исследована В. данной реки, оказалось, что состав ее растворенных веществ подлежит довольно значительному колебанию, но еще более изменяется количество висящих (взмученных, осадочных) в В. веществ. По существу дела (см. Отмучивание) понятно, что при увеличении быстроты течения (напр., в половодье) количество мути речной В. возрастает.
Хотя количество растворенных веществ не особенно значительно в данном объеме речной В., но если обратить внимание на то, что перенесение минеральных веществ речной водой происходит безостановочно, то мы получим гигантские числа для выражения количества их, проносимого реками в продолжение года. По вычислениям Фольгера, вода Рейна мимо Боцена проносит в год 59000000 куб. ф. растворенных веществ; другими словами, из этого количества растворенных веществ можно было бы составить куб с ребром в 387 футов. Миссисипи с 1-го кв. км своего бассейна уносит 46000 кг растворимых веществ, Амазонка ? 20000, Дунай ? 36000. Но когда мы обратимся ко всей сумме твердых веществ, увлекаемых речной водой, то увидим еще более грандиозные цифры. Миссисипи у Каррольтона, выше Нового Орлеана, по исследованиям Форшея, ежегодно проносит 868875000000 кг землистых веществ, что составляет массу, площадь которой равна 1 англ. кв. миле, а высота 73,4 м. Река Ганг при Газепуре, по исследованиям Эвереста, проносит в 122 дождливых дня 6082041600 англ. куб. ф., в 5 зимних мес. 247881600, 3 сухих месяца 38154240, а всего в год 6368077440 англ. ф., или 180000000 куб. м. Это количество, по Лейэлю, равно 66 египетским пирамидам. Количество взмученных веществ изменяется обратно тому, как меняется содержание растворенных веществ. В полую воду взмученных частей больше, в засуху их меньше; в быстрых горных реках количество уносимых взмученных веществ будет гораздо больше, нежели в спокойных равнинных реках. Рейн в 30 дней половодья проносит 1944000 куб. м землистых веществ, тогда как Волга в 50 дней половодья проносит 1000000 куб. м. Терек в течение одного июля проносит около 2427000 куб. м взмученных веществ. Само собою понятно, что и качество пород, по которым течет река, сильно влияет на количество взмученных веществ.
Состав речной мути, т. е. ила, близок к составу глин: преобладают кремнезем и глинозем, затем окись железа, кальция, магния, соли калия и натрия; значительная доля приходится на органические вещества. Вот, напр., состав нильского ила: в 100 вес. ч. кремнезема 53,07, глинозема 14,57, окиси железа 10,21, кали 6,67, окиси магния 1,07, углекислого кальция 3,18, фосфорной кислоты 0,19, органических веществ 2,84 и химически связанной воды 7,41. Органические вещества, находимые в воде, имеют частью растительное (гуминовые вещества), частью животное (человеч. и животн. отбросы) происхождение. Последнее особенно становится ясно, когда мы обратим внимание на прирост органических веществ в речной воде в тех местах, где на берегу реки находятся населенные местности. Возьмем для примера Неву. Вода Ладожского озера содержит 27 гр. неорганич. и 20 орган. веществ в 1 куб. м, всего 47 гр. Невская вода, по анализу проф. Ю. К. Траппа, содержит 32 гр. минеральных и 23 гр. органич. веществ, всего 55 гр. Если мы возьмем воду петербургских каналов, то увидим значительный прирост органических веществ: Фонтанка ? 36 гр. минер. и 25 гр. органических веществ; Екатерининский канал содержит уже 66 гр. всех примесей. На этом примере ясно видно загрязнение речной воды, производимое населенными берегами.
Морская вода. Мы видели уже, какие громадные количества минеральных веществ уносятся реками в моря и океаны. Так как из этих водохранилищ действием солнечной теплоты производится постоянный отгон чистых водяных паров, то понятно, что В. морей и океанов должна отличаться большим содержанием растворимых минеральных веществ от речной В., обладать большею соленостью. Чтобы сделать понятным преобладание одних солей, приносимых реками в море, над другими, были производимы опыты над действием теплоты на морскую В. По мере нагревания морской В. и улетучивания паров чистой В. прежде всего осаждаются окись железа и углекислая известь. Отложение гипса происходит только при значительном сгущении; хлористый натрий осаждается только тогда, когда В. выпарят до 1 / 10 прежнего объема. При дальнейшем выпаривании происходит правильное постепенное осаждение смеси хлористых натрия и магния, бромистого натрия и сернокислого магния. Этот опыт показывает нам, почему в морской В. преобладают соли натрия и магния, о чем свидетельствует горько-соленый вкус морской В. Кроме хлористого натрия (от 25000 до 31000 гр. в тонне), морская В. содержит хлористый магний (от 2600 до 600 гр.), сернокислый магний (от 1200 до 7000 гр.), сернокислый кальций (от 1500 до 600 гр.), хлористый калий (от 10 до 700 гр.), затем малые количества углекислого и фосфорнокислого кальция, кремнезем, бромистые и йодистые металлы; наконец, в ней встречаются и другие вещества, вымываемые реками из почвы. Всего в морской В. открыты до сих пор след. элементы: кислород, водород, хлор, бром, йод, фтор, сера, фосфор, азот, углерод, кремний, бор, серебро, медь, свинец, цинк, кобальт, никель, железо, марганец, алюминий, магний, кальций, стронций, барий, натрий и калий. Конечно, как и в реках и источниках, количество растворенных веществ, или соленость морской В., не постоянно для разных морей, равно как и для одного и того же моря. Соленость морской В. увеличивается вообще от берегов к открытому морю вследствие опреснения реками. Большая или меньшая закрытость, т. е. сообщение с океаном или разобщение с ним, также влияет на соленость морской В. Вот некоторые числа, подтверждающие сказанное. В тонне содержится твердых составных частей: в В. венецианских лагун 19122, в гавани Ливорно 24312, в Средиземном море около Сетта 37655, ? вот колебание солености в одном и том же Средиземном море и его частях. Разница в солености океанов уже не так значительна: в В. Атлантического океана в 1 тонне от 32585 до 35695, в Тихом океане от 35233 до 34708. В Каспийском море, куда изливается такой гигантский поток пресной воды, как Волга, соленость 6300, между тем как в соседнем с ним Черном море 17700. Соленость достигает maximum'a в поясе пассатных ветров, относительного minimum'a ? в поясе затишья близ экватора, вообще она увеличивается от высших широт к поясам пассатных ветров. Соленость океанов и замкнутых морей зависит от степени испарения и количества водных осадков; она находится также в связи с течениями, поверхностными и глубоководными; в свою очередь, она является важным фактором океанических течений, так как изменение солености обусловливает собою изменение удельного веса. Так, напр., В. Средиземного моря имеет удельный вес 1,0293; В. Ледовитого океана, отличающаяся меньшею соленостью вследствие опреснения ее тающими ледяными массами, имеет и удельный вес уже меньший. Соленость морской воды меняется с глубиною. Причинами этого являются: опреснение с поверхности падающими водными осадками, распределение морской В. по удельному весу, причем, конечно, В. с большим удельным весом, а, следовательно, и с большею соленостью, будет находиться внизу и понижение температуры В. в глубине. Не входя в другие океанографические подробности (см. Океаны), мы в виде примера изменчивости состава морской воды с глубиною остановимся на одном Черном море, воды которого благодаря началу, положенному адмиралом Макаровым и профессором Классовским, исследованы в последнее время с особою подробностью. По анализу С. Колотова черноморская В. на глубине 50 саж. содержала 18262 гр. солей в тонне, на глубине 100 саж. 20726, 900 саж. 21758, на глубине 1100 саж. 22220 гр. в тонне. Азот, кислород и углекислота, равно как аммиак и азотная кислота всегда находятся растворенными в морской В., иногда там находят и сероводород, как это было, напр., в глубоководных пробах, взятых в Черном море. Самым важным газом, растворенным в морской В., является кислород, необходимый для дыхания морской флоры и фауны. Средняя величина для кислорода 33,67% [(100 x 0)/(N + 0)]. Якобсен в Северном Ледовитом океане нашел среднее содержание кислорода 33,9 и наблюдал колебание в пределах 1 / 2 %. Растворение газов в В. обусловливается двумя факторами: давлением и температурой. Последняя меняется с широтою, а потому широта места, где мы берем морскую В., должна сказываться на содержании в этой В. растворенных газов; действительно, в полярных странах количество кислорода абсолютно и относительно (к азоту) более, чем в умеренных и жарких. Содержание атмосферных газов в морской В. изменяется с глубиною очень явно. Вот таблица результатов, полученных Бухананом.
Глубины в англ. сажен.
Углекислота gr. в литре
Кислород в % (N+O)
Азот, куб. см в литре
Средняя темпер. воды
Кислород, куб. см в литре
Поверхн.
0,0426
33,67
-
-
-
25
0,0337
83,36
-
-
-
50
0,0488
32,33
-
-
-
100
0,0436
30,21
11,26
14,6
4,24
200
0,0446
23,40
11,71
13,0
3,59
300
0,0440
11,37
18,00
6,9
1,67
400
0,0411
15,46
13,10
5,1
2,41
800
0,0422
22,62
18,86
2,5
4,06
Свыше 800
0,0446
23,45
14,87
1,5
4,40
дно
0,0474
-
-
-
-
Так как кислород представляет собою важный фактор животной жизни, то ясно выраженный minimum содержания его на глубине около 300 саж. можно смело приписать, вместе с Бухананом, особенно роскошному развитию органической жизни на этих глубинах. Что касается углекислоты, то мы видим, что содержание ее мало колеблется при изменении глубины, с которой мы берем морскую воду. На основании обширных исследований Дитмара оказывается, что вода океана, какова бы ни была глубина и место пробы, содержит больше оснований, чем кислот; следовательно, углекислота находится в связанном и в полусвязанном виде; лишь в редких случаях названному естествоиспытателю приходилось находить углекислоту в количестве большем, чем нужно для образования двууглекислых солей. При температуре от 18¦ до 21¦ диссоционное давление двууглекислых солей в морской воде равно 0,0005 атм.; при температуре от ¦1¦ или ¦2¦, которые бывают в полярных странах, это давление 0, 0 003 атм. ? величина, близкая к давлению углекислоты, находящейся в атмосфере. В этих условиях В. тропических морей отдает свою свободную углекислоту атмосфере и стремится таким образом повысить давление атмосферной углекислоты до некоторого давления, которое определяется температурой данного места. Выделение углекислоты морем становится все менее и менее интенсивным по мере удаления от экватора к полюсам до того места, где температура моря сделает давление углекислоты, получаемой от распадения двууглекислых солей, равным 0,0003 атм.; в этом месте выделение свободной углекислоты из моря происходить не будет. По направлению к полюсам мы будем находить поглощение углекислоты все большее и большее и обращение углекислых солей в двууглекислые. Избыток углекислоты в околополярных странах приносится назад подводными течениями в более теплые широты, и таким образом здесь пополняется происходящая трата углекислоты. Допуская, что не существует другого источника углекислоты, кроме атмосферы, даже за полярным кругом морская В. должна была бы содержать только следы свободной углекислоты при вполне насыщенных двууглекислых солях. По Бунзену, 1 объем дистиллированной В. при 0¦ и 760 mm поглощает 1,8 об. сухой углекислоты. В полярных странах температура В. моря никогда не опускается ниже -3¦,5; следовательно, maximum углекислоты, поглощаемой полярной морской водой, будет приблизительно 0,0003х1800, или около 0,54 куб. с. или 1 mgr. на 1 литр В. Если бы где-нибудь произошел приток углекислоты, напр., со дна, то избыток над 0,5 куб. см не замедлил бы рассеяться в воздухе. Таким образом, можно с полным правом сказать, что морская В. регулирует содержание всей атмосферной углекислоты. Углекислота в морской В. происходит не только из атмосферы: известное ее количество выделяется растениями и животными, а также подводными вулканическими источниками. Под давлением водяного столба в 2000-6000 м углекислота обращается в жидкость и уносится течениями. Этим объясняется то обстоятельство, что в некоторых пробах, взятых с корабля "Challenge r ", Дитмар находил большое содержание свободной углекислоты.
Присутствие аммиака в морской воде было указано в 1855 году Маршандом; Буссенго и Шлёзинг около того времени занялись измерением количества аммиака. Шлёзинг нашел от 0,2 до 0,3 гр. азотной кислоты в тонне морской В. и от 0,4 до 0,5 гр. аммиака. На основании этого Шлёзинг даже считал море источником атмосферного аммиака. В 1878 г. вопросом о содержании аммиака в морской В. занялся Диеляфе. Вот результаты его анализов В. морей теплых стран: Измаилия 0,204 гр. в тонне, Красное море ? 0,176, мыс Гвардафуй ? 0,176, Сокотора ? 0,176, Бенгальский залив ? 0,186, берега Кохинхины ? 0,840 ? числа меньшие сравнительно с числами Шлёзинга, который брал воду северных морей.
Б. А. Яковлев. ? .
IV. Вода для питья. На поверхности и внутри земли атмосферная В. встречает условия для растворения различных минеральных и органических веществ. Количество органических веществ, которое приходит в соприкосновение с В., ограниченнее того количества минеральных веществ, которое В. встречает на своем пути в различных слоях земли. При нормальных условиях в раствор В. переходят: кислород, азот, углекислота, сернокислые, солянокислые и азотнокислые соли, аммиачные соли, соли щелочных металлов калия и натрия и соли кальция, магния и т. д. Затем, благодаря содержанию углекислоты в растворе находятся углекислые соли кальция, магния и железа, кремнекислота, а благодаря преимущественно щелочам растворяются гуминовые и вообще органические вещества, как объяснено выше (см. В. в природе). Большинство веществ, с которыми В. приходит в соприкосновение в природе, являются не растворимыми в ней (потому что горные породы уже заранее промыты проникавшею водою), а те из веществ, которые растворимы, переходят в нее в сравнительно малом количестве. Этим объясняется, что природные воды представляют весьма слабые растворы разных химических соединений ? растворы, в которых содержание твердых веществ выражается в сотых долях процента. Чтобы показать зависимость состава растворенных в В. тел от горных пород, через которые она протекает, приведем сравнительную таблицу Рейхардта.
КЛЮЧЕВАЯ ВОДА, ОБРАЗОВАННАЯ В ПОРОДАХ:
Остаток от выпар.
Б. азотн. кислота N 2 O 5
Хлор Cl
Б. серн. кислота SO 3
Известь CaO
Магнезия MgO
Органич. вещества относит. KMnO 4 Гранитных a
2,44
-
0,33
0,89
0,97
0,25
0,31 б
7,0
-
0,12
0,84
3,08
0,91
0,08 в
21,0
-
Следы
1,03
4,48
2,10
0,09 Мелафировых
16
-
0,84
1,71
6,16
2,25
0,38 Базальтов
15
-
Следы
0,34
3,16
2,8
0,04 Порфировых
2,50
-
-
0,34
0,56
0,18
0,16 Глинистых сланцев а
12,0
-
0,25
2,4
5,04
0,73
- б
6,0
-
0,88
0,17
0,28
0,36
0,35 в
7,0
Следы
0,20
0,50
0,56
0,18
0,16 г
18,0
Следы
1,06
1,00
4,40
1,08
0,42 Пестрых песчаников а
22,50
0,98
0,42
0,88
7,30
4,80
0,28 б
30,00
0,40
0,32
0,34
9,52
0,72
0,18 в
19,00
Следы
0,89
2,75
3,92
2,80
0,08 г
9,00
-
0,75
-
1,00
0,36
0,05 Раковистого известняка
32,50
0,02
0,37
1,37
12,9
2,9
0,14 Доломитового известняка
41,8
0,23
Следы
8,4
14,0
6,50
0,11 Гипса
236,5
Следы
1,61
110,8
76,6
12,25
Следы
Отсюда видно, напр., что наименьшее содержание всяких растворенных веществ заключается в В., вытекающей из первозданных (гранитов, порфиров и т. п.) и глинистых пород и наибольшее количество извести содержится в водах, протекающих через известковые почвы. Воды, протекающие через глины, торфяники и т. п. образования, если содержат щелочные соли и мало извести, обыкновенно богаты органическими веществами. Воды незначительных рек, берега которых сильно заселены, напр., Темзы, настолько загрязняются сточными водами (см. VIII), что становятся вовсе непригодными для питья и состав их зависит вполне от того влияния, которое человек производит на природу.
От воды, годной для питья, прежде всего требуют известных общих признаков, а именно: прозрачности (хотя мутные воды некоторых быстротекущих источников после отстаивания отличаются превосходными качествами [вода, напр., Ричмонда (из p. James) содержит столь тонкую муть, что она не отделяется при обыкновенном процеживании, а между тем эта В. очень хороша для питья. Такое же явление известно и во многих других случаях], бесцветности, чистого (пресного) вкуса, отсутствие запаха и т. п. Однако В., обладающая хорошими внешними свойствами, может, особенно при продолжительном употреблении, оказаться непригодною для применения в питье, иногда даже прямо вредною для здоровья. Для полного решения вопроса о свойствах данной воды для питья помимо общих внешних требований и сравнительных статистических данных необходимо принять в соображение: какие растворенные вещества можно допустить в воде, годной для питья, какие из них полезны для организма, в каких границах допустимы колебания растворенных в воде составных частей без вредного влияния на здоровье и какие микроорганизмы населяют воду.
Минеральные составные части воды частью ассимилируются организмом, как это доказано путем опытов Шосса над голубями и Буссенго над свиньями. Последний доказал, что свинья в течение 93 дней ассимилировала из В. 52 гр. извести в костях и 12 гр. в ткани. Большинство соединений натрия, находящихся в крови и теле травоядных, ведет свое начало у диких животных от соединений натрия, находящихся в В., так как в растениях часто вовсе нет соединений натрия, а преобладают соединения калия. Воды, которые применяются для питья самыми разнообразными народами, не страдающими эндемическими болезнями, представляют много общего в своем составе; если же воды существенно отклоняются в своем составе или изобилием растворенных минеральных веществ, в особенности некоторых из последних, или если они отличаются отсутствием известных растворенных веществ, то обыкновенно состояние здоровья народонаселения ухудшается в том или другом отношении. Шосса и Буссенго указывают, что так как составные части воды столь легко усвояются организмом, то всякая минеральная составная часть воды имеет некоторое значение в экономии организма, может быть полезной, и, наоборот, всякое вещество, растворимое в воде, но не входящее в состав наших тканей, оказывается излишним, а иногда даже вредным для здоровья. Это простое решение Шосса и Буссенго подтверждается тем, что анализы вод, наиболее отвечающих санитарным требованиям, вполне согласуются с вышеуказанным основным положением.
На основании целого ряда исследований, развившихся особенно после того, как в Англии подняты были вопросы сего рода [Rivers Pollution Commission, главным деятелем которой был известный химик Франкланд], можно считать установленными пределы по отношению составных частей воды, пригодной для питья. Венская комиссия (1864), Муспрат, Рейхарт, Фишер, брюссельская комиссия (1885) и др. дают следующий общий средний свод из существующих выводов, относя к 100000 частям В., вполне пригодной для питья: не более 50 весовых частей остатка после выпаривания, до 20 весовых частей общего содержания извести (или же градусов жесткости, см. далее), до 0,5 вес. частей азотной кислоты (считая на ангидрид N 2 O 5 ), не более 5 частей органических веществ (потери высушенного остатка при обжигании или до 10 ч. KMnO 4 для окисления), не более 2 весовых частей хлора (определяемого AgNO 3 ); не более 6 весовых частей серной кислоты (в виде SO 3 ). К этому следует прибавить потребность в содержании растворенного кислорода для свежей воды, вполне пригодной для общего применения.
Содержание газов, растворенных в В., годной для питья, постояннее, чем твердых составных частей: 1 литр воды содержит обыкновенно от 40 до 65 куб. сантиметров газа, измеренного при нормальных условиях. Зимой содержание газа более, чем летом и осенью. Принимая, что в 1 литре воды, пригодной для питья, содержится 50 куб. сант. газа, можно считать, что в этом числе содержится 20 объемов азота, до 20 объемов угольной кислоты (происходящей, вероятно, отчасти из органических веществ воды и почвы, частью же из атмосферы) и около 10 объемов кислорода. При меньшем содержании газов отношение изменяется почти одинаково. В некоторых случаях, однако, углекислый газ преобладает, а кислорода меньше нормы. Многие воды быстрых рек содержат меньше углекислого газа, что доказывает их быстрое образование из атмосферной В., то есть, что они не успели поглотить достаточного количества углекислого газа почвы. Так, напр., в воде Рейна близ Страсбурга найдено углекислоты 8, азота ? 16 и кислорода 7 куб. сант. в 1 литре. По многим исследованиям, для определения качества В. как напитка особенно важно изучение состава растворенных в ней газов. И. Ф. Семенский, производивший под руководством проф. М. Я. Капустина ряд анализов В. реки Вислы, некоторых варшавских колодцев и В. Лазенковского пруда, пришел к тому заключению, что содержание в В. кислорода значительно меньшее против отвечающего парциальному (частному) давлению этого газа в атмосфере (см. Растворы газов и Парциальное, частное, давление), что указывает на поглощение части кислорода органическими и др. веществами почвы и воды. В., не содержащая растворенного кислорода, подобно отварной В., не может поддерживать жизнь водяных животных, избегается дикими животными для питья и не может считаться здоровою, хотя для предотвращения от заражающих микроорганизмов и полезна кипяченая В., из которой выделяются все растворенные газы, а, следовательно, и растворенный кислород. Для того, чтобы насытить В. воздухом, достаточно заставить ее протекать тонкою струею через воздух, и если желательно при этом предохранить В. от микроорганизмов воздуха, то можно принять соответственные меры, напр., пропускание воздуха через слой ваты (см. Воздух). Растворенные твердые составные части воды имеют не только значение в смысле способности их усвоения, но обладают также свойством в большей или меньшей степени способствовать развитию имеющихся в воде микроорганизмов. Присутствие же в воде микроорганизмов имеет весьма важное значение для здоровья, о чем будет речь ниже.
При химическом исследовании состава подмесей данной В. для определения ее достоинства обыкновенно, если не производят полного анализа, ограничиваются определением немногих веществ. А) Взвешенные (суспендированные) частицы воды, или ее муть, определяется фильтрованием (от 1 до 3 литров) и высушиванием собранного осадка при 100¦ (до постоянного веса). В нем определяется количество органических и минеральных веществ сжиганием в платиновом тигле. Б) Окиси кальция и магния редко определяются отдельно; обыкновенно довольствуются совместным их определением путем весьма распространенного метода, так называемой "мыльной пробы". Это определение имеет большое значение для технических целей, так как содержанием названных составных частей обусловливается "жесткость" воды. Сущность этого метода основана на том, что соли кальция и магния с жирными кислотами мыла образуют нерастворимые в В. соединения. Подробное изложение метода приводится Канонниковым в его "Руководстве к химическому исследованию питательных и вкусовых веществ" (стр. 412). Для этой цели применяется раствор мыла (калийно-олеинового), особым образом приготовленный из свинцового пластыря. Содержание мыла, или титр мыльного раствора, устанавливается раствором азотно-бариевой соли определенного содержания (2,61 гр. на 1000 куб. сант. раствора). Прибавляя раствор мыла к исследуемой В., испытывается способность смеси образовать пену. Пена появляется в том лишь случае, когда мыло имеется в растворе. Так как магний и кальций образуют с олеиновой кислотой нерастворимые в В. сорта мыла, то их присутствие препятствует образованию пены. Если к воде постепенно прибавлять титрованный раствор мыла, испытывая после прибавления ее способность давать пену, то возможно с большой точностью по первому появлению пены определить тот момент, когда все соли щелочных земель, имеющиеся в В., превратились в нерастворимые олеиновокислые соли. При определении в воде солей кальция и магния мыльный пробой отличают жесткость В. вообще ? содержание солей кальция и магния в непрокипяченной В., и определение постоянной жесткости ? содержание этих солей в прокипяченной В., лишенной содержащейся в ней угольной кислоты, вследствие чего часть известковых и магнезиальных солей выпадает в виде осадка. Вычисление ведется обыкновенно на СаСО 3 . Но в Германии градусом жесткости называется содержание одной весовой части СаО в 100000 частях воды, во Франции же содержание 1 весовой части СаСО 3 в 100000 частях В., а в Англии 1 грана СаСО 3 в 1 галлоне. В) Серная кислота определяется (после предварительного подкисления соляной кислотой) осаждением в виде серно-баритовой соли. Г) Хлор определяется титрованием азотно-серебряной солью. Д) Присутствие азотной кислоты определяется, по Никольсону, так: выпаривают воду в фарфоровой чашке досуха, остаток смачивают тремя каплями крепкой серной кислоты и бросают небольшой кристаллик бруцина: появляющееся ярко-красное окрашивание указывает на присутствие азотной кислоты. Проба эта крайне чувствительная. По Рейхардту, хороший способ обнаружения азотной кислоты состоит в действии сернокислого анилина и прибавлении к смеси нескольких капель крепкой серной кислоты, при чем смесь окрашивается в интенсивный красно-фиолетовый цвет. Количественный способ определения азотной кислоты состоит в раскислении азотной кислоты в окись азота и непосредственном измерении объема последнего (способ Шульца). Е) Азотистая кислота определяется на основании способности ее выделять йод из йодистых металлов в присутствии свободной кислоты, причем выделившийся йод окрашивает крахмал в синий цвет. Для этой цели применяется лучше всего раствор йодистого цинка с крахмалом (по Тромсдорфу). Освобожденный йод может служить мерою количества азотистой кислоты. Ж) Определение присутствия аммиака производится по цветовому способу, основанному на том, что в присутствии аммиака реагент Несслера (двойная соль йодистой ртути с йодистым калием) производит желтовато-красное окрашивание, по степени интенсивности которого (см. Колориметрия) судят о количестве аммиака, сравнивая с образцом определенного содержания последнего. 3) Определение органических веществ представляет наибольшие трудности и имеет немалое значение. Обыкновенно [Существует очень много способов, применяемых для определения органических веществ, содержащихся в В., кроме определения потери при прокаливании и расхода KMnO 4 в кислой жидкости на окисление. Важнейшими должно считать: аммиачно-белковинный способ Ванклина, Чапмана и друг. и способ сожигания Франкланда и Армстронга. Первый из них служит (после выделения кипячением со щелочами аммиака, бывшего в виде соли, и т. п.) для определения в В. аммиака азотистых веществ при помощи нагревания со щелочным раствором KMnO 4 . Показывая количество более или менее измененных белковых веществ, способ этот до некоторой степени указывает загрязненность В. гнилостными животными продуктами, но никоим образом не может считаться показывающим общее содержание органических веществ. Способ же полного сожигания остатка (предварительно обработанного раствором SO 2 ) производится обыкновенным методом анализа органических веществ и дает количества углерода и азота, по которым можно ближе судить о содержании углеродистых и азотистых веществ. Хотя и этот прием не дает абсолютных указаний о безвредности В. (потому что не указывает содержания заразных микроорганизмов), но он все же полнее всех прочих отвечает прямой цели химического исследования В. Франкланд нашел, что на 1 часть азота в навозной В. получается 2 ч. углерода, в мелких колодцах до 4, в воде, проникшей обработанные почвы, до 6, а в воде поверхности, вполне пригодной для питья, до 10 ч. углерода на 1 ч. азота в виде органических веществ. ? ?.]
оно производится окислением их помощью марганцово-калиевой соли, и результат высчитывается или на количество израсходованной марганцово-калиевой соли, или же на содержание в таковом кислорода, или же, по Кубелю, непосредственно на содержание органических веществ, причем Кубель на основании некоторых определений принял за среднее, что одна часть марганцово-калиевой соли окисляет пять частей органических веществ, так что количество израсходованной марганцово-калиевой соли, умноженное на 5, принимается равным количеству органических веществ. Получаемые числа имеют, конечно, лишь относительное (а не абсолютное) значение и притом лишь тогда, когда соблюдены все условия одинаковости определений. Окисление производят в присутствии избытка серной кислоты и после предварительного нагревания (кипячения), причем время кипячения играет немаловажную роль, так как органические вещества весьма разнородны по способности окисляться; содержание органических веществ в таком случае выражает так называемую окисляемость В. [За последнее время (1890-92 гг.) в Англии (Роско и др.) выработали скорые и простые способы определения кислорода, растворенного в В., но они еще не вошли во всеобщее употребление, свойственное вышеуказанным приемам для определения других составных начал В. при первичном их исследовании. ? ?.]. Все указанные способы предварительного исследования веществ, содержащихся в В., должны быть во всяком случае считаемы лишь приближенными, но для санитарных целей полные анализы В. дают лишь немногим более вышеуказанных, потому что воды, вполне пригодные для питья, представляют очень значительные изменения в содержании растворенных веществ.
При исследовании В. необходимо принять во внимание время года, глубину взятия пробы и др. обстоятельства. Для уяснения приводим несколько примеров. Проф. Ф. Ф. Эрисман и д-р Коцин нашли, что речные воды представляют довольно правильные периодические колебания (по месяцам) в своем составе. Исследуя москворецкую воду, Кодин констатировал в течение зимы (1887-88 годов) уменьшение количества кислорода и взвешенных веществ и увеличение количества сухого остатка известковых и магнезиальных соединений, аммиака и угольной кислоты, как связанной и полусвязанной, так и свободной. Со вскрытием Москвы-реки в воде сильно увеличилось количество взвешенных веществ, легко окисляемых органических веществ, равно и микроорганизмов, и в то же время сильно уменьшилось количество растворенных веществ вообще и известковых и магнезиальных солей в частности. Угольная же кислота, как свободная, так и связанная или полусвязанная, совершенно исчезла из воды. Далее, во время сильного дождя на верховьях реки в воде было найдено увеличенное содержание взвешенных веществ, бактерий и растворенных органических веществ и уменьшение известковых и магнезиальных соединений. Из исследований невской воды также видно, что количество взвешенных и растворенных органических веществ уменьшается в зимнее время и увеличивается весной [Вообще, химический анализ воды, хотя не может дать прямого указания ее безвредности (уже потому, что не дает указания на болезнетворные микроорганизмы), весьма важен не только потому, что указывает присутствие условий для развития всяких микроорганизмов, но и потому, что дает возможность следить за изменчивостью воды и тотчас дает знать о существовании неблагоприятных для организма примесей воды, напр., разрушающихся организмов (Tucker, "Chemical News" 1886). ? ?.].
Переходя к микроорганизмам воды, прежде всего обратим внимание на то, что в В., доступной действию солнечного света и содержащей малое количество органических веществ (по Cohn), встречаются главным образом диатомовые и зеленые водоросли, на счет которых питается ряд реснитчатых инфузорий, низших ракообразных и т. д. В водах, богатых органическими веществами, имеется множество бактерий, причем весьма характерно то, что таковые встречаются в формах зооглейных (слизистых колоний); кроме того, вибрионы, спириллы, монады, хиломонады, криптомонады и пр., некоторые амебы и реснитчатые инфузории. Кроме того, иногда встречаются яички глист. Между микроорганизмами вод, применяемых для питья, наибольшее значение имеют болезнетворные бактерии, тем более, что ныне на основании исследований несомненно, что вода может быть прямым посредником в распространении эпидемий, в особенности тифа и холеры [Английская комиссия, упомянутая уже выше, еще в 1074 г. признала, что холера и тиф распространяются через посредство воды, что ее кипячение может служить к оздоровлению, а одно фильтрование недостаточно. Подтверждением великого значения воды для распространения, напр., холеры могут служить данные английских городов, в среднем почти одинаково пострадавших в холерные годы 1832, 184 9, 1854 и 1866 гг., тогда как города, в которых за это время вода для питья стала лучшею, представляют значительное уменьшение числа жертв, хотя народонаселение усилилось. Для примера укажем на Глазго. До 1859 года его водопровод снабжался водой р. Клайд (C lyde), a после 1859 гораздо более чистою водою из Loch Catrine. Смертных случаев от холеры было: в 1832 г. 2842, в 1849 г. 3772, в 1854 г. 3806 жертв, в 1866 г. только 16-ть. В Манчестере водопроводное дело улучшено в 1851 г., после чего последние холеры унесли в 15-20 раз менее жертв, чем прежде. ? ?.]. Холера, как ныне стало известным, вызывается особыми бактериями (запятовидными), легко развивающимися в В., содержащей даже весьма малое количество органических веществ. Так, профессор Лябульбен сообщил Парижской медицинской академии наблюдение, подтверждающее значение воды для распространение холеры. Проф. Чечи (Ceci) исследовал В. водопровода Николая в Генуе и нашел в ней запятовидные бактерии, а впрыскивая животным разводки, вызывал у них холеру. Профессора Пини, Порро и проч. привели подобные же факты из других мест Италии. Распространение холерной эпидемии в 1890 году в испанских городах также, по всей вероятности, находится в значительной связи с их водоснабжением. Водопроводы с хорошей водою существуют только в Мадриде, Севилье и Барселоне. Мадрид получает чистую В. из гор. Когда появилась холера, употребление всякой другой В. было запрещено. Несмотря на значительное население (500000), в течение 3-х месяцев холера не достигла в Мадриде значительной силы. В Севилье (140000 жителей) недавно окончен прекрасный водопровод; холеры в этом городе не было совсем. Испанский Манчестер ? Барселона (200000) получает воду из 4-х источников; но летом иногда чувствуется недостаток в В. Несмотря на то, что через Барселону проезжало множество беглецов из холерных мест, эпидемия, начинавшаяся 2 раза, быстро прекращалась. Посещенный И. Ф. Рапчевским небольшой город Тортоза (в провинции Таррагона) был замечательно пощажен холерою, между тем как в окрестных и ближайших подгородных местах эпидемия проявлялась часто с значительной силой. Тортоза имеет очень хорошую В. для питья, проведенную из горных источников и распределяемую по городу сетью железных, вполне закрытых труб, между тем как жители многих соседних деревень и ближайших подгородных мест употребляют для питья воду ручьев, колодцев, а иногда и каналов, служащих для орошения полей. Что касается до тех городов, которые были наиболее поражены холерой, то о них можно сказать, что они получают загрязненную воду. По словам генерал-хирурга Индии д-ра Фурнелля, отчеты индийских врачей также содержат много указаний на зависимость распространения холеры от водоснабжения. Имеются также многочисленные примеры, указывающие зависимость между распространением брюшного тифа и водоснабжением. Непосредственною причиною заболевания тифом также является бактерия, легко размножающаяся в воде, содержащей даже весьма малое количество разлагающихся органических веществ (см. Тиф, Холера). В Плимуте (в штате Пенсильвания) в апреле 1885 года была тяжелая эпидемия брюшного тифа; переболело более 1000 чел. из 8000 населения. Город снабжается водой из двух источников, главным же образом из чистого горного ручья, начинающегося в нескольких милях от города; когда же воды в ручье мало, то из речки Сускеганны. У начала ручья ? следовательно, далеко от города, ? в одной избе поселился приезжий из Филадельфии, который только что перенес брюшной тиф, но по приезде снова заболел им. Его извержения выбрасывались в ручей, который тогда был еще покрыт льдом; 25-го марта тронулся лед, а спустя 10 дней в городе обнаружился тиф.
Вышеприведенные наблюдения достаточно убедительны для того, чтобы доказать тесную связь присутствия болезнетворных бактерий в воде с распространением некоторых заразных болезней. А потому способы определения возможного устранения как самих микроорганизмов, так и условий их развития заслуживают полнейшего внимания [Эммерих (1887) предлагает следующий сравнительно простой способ для определения отсутствия болезнетворных составных начал (организованных или нет) в испытуемой В.: кроликам производят подкожное вспрыскивание по 40-80 куб. см В., и если температура их тела не будет значительно (как в лихорадке) повышаться и если они выживут опыт, то В. можно считать безвредной. ? ?.]. Число жизнеспособных микроорганизмов в известном объеме воды определяется, по Р. Коху, следующим образом: небольшое количество испытуемой В. вводится в известное количество питательной желатинной студени (предварительно стерилизованной, см. Бактерии, Стерилизация) после предварительного разжижения ее; студень разливается на пластинки, на которых соответственно каждому зародышу развивается колония, заметная для невооруженного глаза. Число колоний отвечает числу зародышей микроорганизмов, а по внешнему виду их и характеру колоний есть возможность отнести их к той или другой категории. Для некоторых микроорганизмов недостаточно испытания в одной лишь желатинной студени, так как разводка в желатине возможна только при температурах не ниже 25¦ Ц., большинство же болезнетворных бактерий разрастается лишь при температурах, близких к температуре тела. Поэтому-то и применяются питательные среды, отвечающие этим требованиям, как-то: агар-агар, кровяная сыворотка и т. д. Несмотря на то, что школа Коха в смысле изучения бактериологии вод внесла много света в этот столь важный для гигиены вопрос, однако в его же лаборатории "Mead Bolton" своими исследованиями дал повод к одному из наиболее существенных заблуждений, отрицая влияние органических и неорганических веществ воды на жизнеспособность сапрофитных микроорганизмов. Этот взгляд, несмотря на явное противоречие его с общими биологическими законами, еще и поныне имеет многих сторонников. На тесную связь между химическим составом воды и способностью ее поддерживать жизнь микроорганизмов указал А. Цель на Международном гигиеническом съезде в Вене, основываясь на произведенных им исследованиях вод многих станций Варшавской железной дороги относительно способности этих вод поддерживать жизнь бактерий. По наблюдениям А. Пеля, невская вода существенно отличается от вод окрестностей Петербурга своею способностью поддерживать жизнь микроорганизмов. Она имеет следующий состав:
В гектолитре воды (в 100000 гр.)
Вода с середины Невы
У самых водопроводных труб
Вода водопровода Взвешенные вещества Общее количество
0,1613
0,2123
1,0956 Минеральных
0,1392
0,1870
0,9695 Органических (определенных по потере (при прокаливании)
0,0221
0,0253
0,1261 Растворенных составн. частей Общее количество Остатка получается при 100¦ Ц.
6,34
6,45
6,00 Остатка получается при 140 ? 150¦ Ц.
6,04
6,04
5,80 Остатка получается при 170-180¦ Ц.
5,20
5,34
5,32 Минеральных веществ
3,76
3,80
8,80 Органических веществ (по прокаливанию)
2,28
2,35
2,00 Извести
1,24
1,31
1,20 Хлора
0,38
0,33
0,36 Серной кислоты
1,276
1,428
1,266 Аммиака
0,016
0,015
0,014 Азотной кислоты
0,066
0,080
0,065 Окисляемость 100000 грм. Употр. для окисл. Марганцовокисл. калия
2,739
2,677
2,615 Кислорода
0,685
0,669
0,654 Соответствующ. количества органических веществ по Kubel'ю
13,698
13,387
13,075 Летучих ниже 110¦ Ц. органических веществ (определяются по окислению)
8,731
8,709
8,658
Невская В. очень мягкая и характеризуется малым содержанием минеральных солей и большим ? органических веществ (болотных кислот). Химические и бактериологические свойства ее, в общем, одинаковы у истока реки и у ее устьев. Влияние притоков и сточных городских и фабричных В. весьма мало отражается на составе невской В. вследствие быстрого течения и значительной массы последней (около 120000 пуд. в секунду). Микроорганизмов в свободной невской воде сравнительно мало, но в водопроводных трубах нефильтрованной воды число жизнеспособных бактерий значительно увеличивается. Разница эта бывает иногда очень велика: так, напр., Пель нашел в одном кубическом сантиметре речной невской В. 312 жизнеспособных бактерий и в то же время в одной водопроводной В. 70000 бактерий в 1 кубическом сантиметре. Такое же размножение бактерий имеет место и в каналах, напр., в Мойке, где найдено даже до 109000 жизнеспособных микроорганизмов в 1 кубическом сантиметре В. Для невской В. весьма характерно свойство ее способствовать развитию слизистых (зооглейных) колоний не только на любом предмете, погруженном в воду, но и на стенках водопроводных труб, просвет которых весьма часто вследствие этого значительно уменьшается. Воды же окрестностей Петербурга, особенно южных, где развиты силурийская и девонская формации, нося ключевой характер, мало способны поддерживать жизнь микроорганизмов и в этом отношении представляют выдающиеся санитарные преимущества. Таковы В. таицких, белых, глязинских, ропшинских, гатчинских и др. ключей. Все эти В. отличаются одним общим характером благодаря тому, что выходят из одинаковых горных пород: все они богаты известковыми солями, преимущественно двууглекислой известью.
Воды Царского Села. Анализ Пеля.
Жесткость
Окисляемость в 100000 частях
Количество микроорганизмов в 1 к. с. воды
Французск. (углекислые соли извести и магнезии)
Немецкая (известь и магнезия) *)
Количество органич. веществ по Kubel'ю
Соответств. количество марганц.-калиевой соли
Соответств. количество кислорода Из прудов Собственного Его Величества садика
20,84
11,67
2,6607
0,532
0,134
56 Из Таицких ключей
28,94
16,206
0,1400
0,028
0,007
0 Из городской чаши
23,16
12,96
2,9408
0,588
0,148
32 Из Виттеловского колодца
20,84
11,67
1,5404
0,308
0,077
60 Близ Орловских ворот, из Таицкого канала
26,63
14,91
0,5601
0,112
0,028
16 Из Лебедя
28,94
16,206
0,9802
0,196
0,049
20
*) Градусы франц. и нем. жесткости, см. ниже.
По опыту, разводки тифозных и холерных бактерий погибают в таицкой В. по истечении нескольких часов, тогда как в невской В. они живут в продолжение нескольких суток. Эти наблюдения [Произведенные А. В. Пелем. ? ?.] были проверены в лаборатории профессора Ру в Париже и в бактериологической лаборатории в Лионе проф. Теиссье (см. "L'Influenza de 1889-1890 en Russie. Rapport de Mission par Prof. Dr. J. Teissier", Париж, стр. 6, 1891). Профессор Теиссье, изучивший по поручению французского правительства этиологию инфлуэнцы в России и собравший бактериологические пробы как невской, так и царскосельской (таицкой) В., пришел к тем же результатам. Если принять во внимание, что ни в Гатчине, ни в Царском Селе (город снабжается таицкой водой) тифозных эпидемий не бывает, то мнение о зависимости этих эпидемий от водоснабжения находит себе достаточное оправдание. Один из недостатков невской воды (отличающейся, однако, вообще малым количеством всяких солей) состоит в малом содержании в ней известковых солей. Она может служить лучшим подтверждением изречения известного гигиениста Летеби, что смертность больших городов обратно пропорциональна содержанию извести в В. Это странное на первый взгляд совпадение находит свое разъяснение в приведенном выше соотношении между способностью размножения микроорганизмов в В. и содержанием в ней извести. Обеззараживающее действие извести было предметом исследования нашего соотечественника П. Либориуса ("Медицинские прибавления" к "Морскому сборнику", март, 1887 г., стр. 220). Опыты с тифозными и холерными бациллами после прибавления различных количеств известковой В. дали следующие результаты: водный раствор извести (0,0074%) в состоянии совершенно уничтожить тифозные бациллы; 0,0243% раствор окончательно убивает холерные бациллы, в обоих случаях после нескольких часов [не должно забывать, что в текучей В. свободной извести не бывает ? она вся содержится там в виде солей, действие же раствора различных солей извести на жизнедеятельность бактерий доныне не уяснено]. Эти наблюдения совпадают в общем с наблюдениями Вирхова и Гаусмана. Но так как избыток известковых солей (жесткая В.) сам по себе вреден в усвоении, то при возможности выбора между различными видами вод для питья, напр., для водопроводов, следует предпочитать воды со средним содержанием извести.
Если же признать, что химический состав подмесей к воде имеет влияние не только прямо сам по себе для усвоения, но и косвенно на развитие болезнетворных микроорганизмов, то становится очевидным, 1) что исследование именно химического состава В. определяет ее достоинство для питья, и 2) что борьба с микроорганизмами вод, хотя в некоторой степени, может вестись при помощи их процеживания (фильтрации), потому что микроорганизмы относятся к числу веществ, взвешенных (суспендированных) в В., а не растворенных в ней [В статьях Диастаз, Энзимы и Ферменты будет показано, что, кроме организованных (микроорганизмов), бывают и растворимые возбудители известных видов брожений или изменений сложных органических веществ, к числу которых, по существу, должно относить и многие виды заражений. В текучей воде доныне, сколько мне известно, не открыто ни одного энзима или растворимого фермента, хотя возможность существования подобных составных начал в воде нельзя отрицать, тем более что в почвах их присутствие едва ли может подлежать сомнению. ? Д. Менделеев. ].
Очищение В. производится обыкновенно механическими приемами, т. е. фильтрованием, устраняющим взвешенные в В. мелкие частицы. Микроорганизмы же в большинстве случаев не устраняются помощью обыкновенных фильтрующих материалов. До сих пор при фильтровании В. не обращали внимания на химический характер ее, полагая, что состав В. безразличен при механическом очищении ее. На деле же оказывается, что при выборе фильтрующего материала необходимо считаться с химическими свойствами воды.
Уголь уже издавна применяется для процеживания В. На основании известных поглотительных свойств угля устроен целый ряд фильтров. Для этой цели применяется частью уголь растительного происхождения, т. е. древесный уголь, частью животного ? костяной уголь. Угольные фильтры (напр., "здоровье", Крумбюгеля, Бюнига, Меньяна, Шовинеа и т. д.) поэтому влияют не только механически, но и химически благодаря своей поглощающей способности по отношению к некоторым органическим веществам. Эта способность, к сожалению, весьма быстро истощается, и поэтому такие фильтры действуют хорошо лишь короткое время и в малых размерах для небольших количеств В. (домашние фильтры). При фильтровании мягкой В. угольные фильтры представляют свое неудобство в том отношении, что слой угля после насыщения органическими веществами дает благоприятную почву для размножения бактерий и вследствие этого В., проходящая через подобный фильтр, хотя по внешнему виду и прозрачна и обесцвечена, но в отношении содержания бактерий представляет значительное загрязнение (опыты Вильчура, Пеля, П. Франкланда и др.). Следовательно, употребляя уголь на фильтры, необходимо часто сменять угольный слой, каждый раз применяя свежеобожженный уголь. Войлочные фильтры (Буржуа), по исследованиям Нейенбурга, пропускают сравнительно большие тельца и поэтому не отвечают даже и техническим требованиям. Фильтры, в которых фильтрующий слой содержит пористое железо, или железную губку (напр., фильтры Бишофа, Мельцера и Жерсона), не имеют особых преимуществ перед угольным и, кроме того, мягкой В. придают неприятный вкус. То же самое относится к фильтрам (Gerson'a и др.), материал которых состоит из губок, на которых осаждено нерастворимое дубильнокислое железо. Способ фильтрования Андерсона более рационален, но довольно сложен и представляет комбинацию химического и механического фильтрования. Этот способ с успехом применяется в больших размерах в Антверпене. Сущность его состоит в следующем: вода взбалтывается посредством вращающихся приборов с железом в измельченном виде и затем приводится в соприкосновение с воздухом, после чего фильтруется для устранения образовавшейся окиси железа, захватывающей при своем осаждении многие подмеси В. Наиболее совершенное механическое очищение В. производят каолиновые фильтры Пастера-Шамберланда и фильтры Биркенфельда ? трепеловые (Kieselguhrfilter). Первый состоит из батареи обожженных (как бисквитный фарфор) каолиновых трубок или свечей, через пористые отверстия стенок которых В. под давлением просачивается, оставляя взвешенные вещества с зародышами и бактериями. Чем более число свечей, тем больше фильтрующая поверхность, а, следовательно, и количество В., получаемое в определенное время. При фильтровании мягкой В. поверхность каолиновых свечей покрывается густой слизью (зооглейные колонии), которая через некоторое время начинает препятствовать прохождению воды. Шамберланд предлагает очищать эти свечи путем прокаливания. На деле это вполне целесообразно, хотя при прокаливании иногда появляются мелкие трещины, вследствие чего появляются условия для проникания микроорганизмов. Поэтому необходимо производить прокаливание с соблюдением некоторых предосторожностей, а именно ? сперва вполне просушить свечу, а затем медленно прокаливать ее. При этих условиях каолиновые фильтры Пастера-Шамберланда вполне удовлетворяют требованиям механической фильтрации и дают воду вполне обеспложенную. Такие же благоприятные результаты получаются, по исследованиям Нордмейера и Биттера, при применении трепеловых фильтров Биркенфельда, пористость которых, с одной стороны, весьма мелкая, удерживающая микроорганизмы; с другой же стороны, эти фильтры снабжены устройством, которое во время фильтрования очищает поверхность фильтрующих цилиндриков от образующейся на них слизи (подробности см. Фильтры). Наибольшим применением в большом и малом виде ныне пользуются песочные фильтры. Вода, проходя через слой песка, теряет большую часть взвешенных в ней веществ. Этим свойством песка, как материала дешевого и весьма легко проницаемого водою, пользуются для устройства фильтров больших размеров с целью водоснабжения городов. Вода, проходя через слой песка, оставляет на поверхности его часть взвешенных веществ. При этом чем толще песочный слой и чем тоньше слой фильтрующейся воды, тем она медленнее проникает через песок и тем совершеннее происходит отложение взвешенных частиц. Оказывается, что влияние песочного фильтра не ограничивается исключительно только механической стороной, но также оказывает и долю химического действия. Оно выражается, напр., окислением аммиачных соединений в окислы азота. Эта способность песочного фильтра действовать в качестве нитрификатора, т. е. превращать аммиак в окислы азота, обусловливается именно жизнедеятельностью микроорганизмов. Это мнение давно высказывали Пастер, Шульденбергер, Франк, Буссенго и Дюкло, а Шлёзинг и Мюнд доказали, что прокаливание или кипячение песка лишает его нитрифицирующей способности (см. Нитрификация). Тот же результат получается и после введения в песок хлороформа. Непосредственное исследование илообразной массы, образующейся на поверхности песочных фильтров, доказывает, что здесь происходит быстрое размножение микроорганизмов. Это размножение находится в зависимости от химического характера воды. В некоторых случаях колонии бактерий, развивающиеся на поверхности слоя песка, прорастают фильтрующий слой. Это имеет место в случаях фильтрования мягкой воды; так, напр., в новейшее время инженер Пифке и берлинский проф. К. Френкель доказывают целым рядом опытов, что песочным фильтром нельзя устранить опасность проникания в фильтруемую воду тифозных бактерий [В их новейшей работе, "Ueber die Leistung der Sandfiltration" ("Zeitschrift fur Hygiene", 1890, т. 8, стр. 30), они говорят следующее: "Если принять в соображение, что бактерии развиваются в самом фильтрующем слое и могут прорастать таковой, то один только этот путь заражения в состоянии причинить огромное бедствие. Дело в том, что тифозные бациллы, как известно, не принадлежат к чувствительным и не только хорошо и продолжительно конкурируют с другими сапрофитными видами, но могут даже размножаться, особенно в летнее время, когда условия температуры и пр. в наших фильтрах оказываются вполне подходящими для их развития". Как известно, петербургский песочный фильтр устроен по образцу берлинского, а невская вода еще более мягкая, чем берлинская (гавельская и тегельская), и, по наблюдениям А. Неля, весьма способна поддерживать жизнь тифозных бактерий. Ожидание уменьшения тифа в С.-Петербурге от постройки песочного фильтра поэтому нельзя считать свободным от необходимости внимательно следить за переменою песочного слоя и за свойствами проходящей через него В.]. Хорошие результаты песочные фильтры дают исключительно лишь там, где фильтруется жесткая В., напр., в Англии, богатой меловыми образованиями. Превращение мягкой воды в жесткую с одновременным устранением имеющихся в ней органических веществ, поддерживающих жизнь микроорганизмов, в природе имеет место так же, как и превращение жесткой воды в мягкую. При этом содержание болотных кислот и известковых солей в воде находится в известной зависимости одно от другого. Для примера можно привести изменение вод Белых и Глядинских ключей близ Петербурга, которые первоначально по содержанию известковых солей представляют значительную жесткость, а протекая по торфяной почве, эта вода теряет часть своих известковых солей; количество же легкоокисляемых органических веществ в ней увеличивается. Следовало бы ожидать, что при фильтровании воды в больших размерах возможно было бы изменить свойства воды посредством химического характера фильтрующего материала. Мы имеем ряд данных в литературе, где влияние химических веществ фильтрующего материала не подлежит никакому сомнению именно в тех случаях, где так называемые "песочные" фильтры представляют сочетание песка с известняком; так, например, в Бохуме, в Глезенкирхене, в Ливерпуле, в Дурхаме, в Миддльсборо, где фильтрованная через так называемый "песочный" фильтр вода обладает большею жесткостью, чем нефильтрованная. Английская комиссия Preventing the Pollution of Rivers в 1868 году произвела целый ряд опытов для выяснения вопроса: какой материал должен считаться наиболее годным для фильтрования. Приведем лишь некоторые из этих опытов, которые представляют особенный интерес. При сравнении результатов фильтрования воды лондонских каналов через 15-футовый слой песка и через такой же слой песка и мела оказывается, что присутствие последнего безусловно выгодно для фильтрации. Самый же лучший результат получился при фильтровании воды через почву близ Dursley, содержащую, кроме извести (4,53%), еще и окись железа (18,41%): из многочисленных опытов вытекает, что эта почва обладает наилучшими свойствами для фильтрования воды и что она по своему очистительному химическому действию на воду каналов превосходит все другие материалы, взятые для сравнительного испытания.
Итак, можно надеяться, что экспериментальным путем найдут возможность изменить химический состав недоброкачественной воды для питья в смысле улучшения ее, т. е., фильтруя, станут не только механически удалять взвешенные вещества, но и улучшать качество В. Задача эта сложна, но ее решение в каждом отдельном случае лежит вполне в пределах исполнимого для существующих ныне приемов изучения этих важных предметов общего интереса.
Но если общее снабжение целых городов оздоровленною (т. е. лишенной заразных или болезнетворных микроорганизмов) водою представляет много трудностей, то в отношении домашнего хозяйства здесь не предстоит больших затруднений, если химический состав воды не представляет основных препятствий [как это и бывает очень часто, особенно в больших городах, куда при недостатке состава (или количества) местной воды проводят по водопроводам В., удовлетворяющую основным санитарным требованиям]. Хорошо (достаточно долго) прокипяченная (отварная) В. уже не содержит ни одного живого микроорганизма. Из нее притом выделяется избыток извести (образуется осадок), если известь была в виде двууглекислой соли. Вода от этого становится безопасною в болезнетворном отношении. Чтобы придать ей вкус свежей В., достаточно разлить ее (еще теплую) в графины, заткнуть их чистою ватою и, остужая в прохладном месте, взбалтывать по временам, чтобы она успела насытиться воздухом. Во время эпидемий и в заразных местностях этот прием, отличающийся легкою выполнимостью, можно рекомендовать каждому семейному хозяйству. Уже ныне многие семейства не применяют для питья иную В., кроме отварной. Экономические (с предварительным нагреванием свежей воды ? на счет нагретой, которая должна охладиться) приемы для стерилизования больших количеств воды, назначаемой для питья (по примеру некоторых больниц и лабораторий), ныне уже начали вполне вырабатываться (напр., Genest во Франции нагрев воды ведет до 130¦ Ц.), и в некотором будущем возможно ждать широкого применения этого верного и простого приема для того, чтобы питье воды перестало служить способом распространения заразных и многих иных болезней [Вполне разделяя сущность воззрений проф. Пеля на приемы оздоровления воды, я считаю неизлишним обратить здесь внимание на то, что современные сведения о санитарных свойствах В. не только ведут общее свое начало (от Франкланда, Пастера и др.), но и могут применяться правильно в отдельных частных случаях, напр., для городов, лишь при содействии лабораторно-химических и бактериологических исследований; это показывает ту живую связь науки с жизнью, которая составляет основу современной образованности, венчающейся всеобщим распространением сведений о результатах научных исследований. ? Д. Менделеев. ].
А. В. Пель. ? .
V. Вода дистиллированная, или перегнанная (для лабораторий и аптек), обыкновенно добывается простою перегонкою, которую производят в металлических луженых кубах, снабжаемых оловянными или хорошо луженными холодильниками [получение из морской воды пресной, производимое при помощи перегонки, описывается в статье Опреснители. ? ?.]. В большинстве случаев для технических (напр., фотографических) и медицинско-фармацевтических целей довольствуются такой простой перегонкою, причем отбрасывают первые части ( 1 / 10 - 1 / 20 части) перегона, так как они содержат наибольшее количество летучих составных частей обыкновенной воды и главным образом аммиак, углекислоту и др. Но иногда необходимо ставить большие требования к дистиллированной воде, а именно, когда требуется совершенно чистая вода, напр., для целей химических, при установлении титрованных растворов и для некоторых целей врачебно-фармацевтических. Оказывается, что весьма часто примесь аммиака, а также и летучих органических веществ является в первых 3 / 4 -х перегона. Если же простая вода содержит хлористый магний, то в последней четверти перегона могут встречаться также и следы соляной кислоты. При перегонке В. часть органических веществ воды также нередко переходит в дистиллят.
Способ получения чистой перегнанной воды стоит в зависимости от химических свойств сырой воды, и потому предписания, имеющиеся в различных фармакопеях, не могут отвечать всем требованиям. Скандинавские фармакопеи (датская, норвежская и шведская) предписывают добавлять к перегоняемой воде 1 / 1000 - 1 / 1500 квасцов для устранения перехода аммиака в перегон; французская для той же цели советует прибавлять 1 / 10000 серно-глиноземной соли; наконец, финляндская (III изд.) советует выделить предварительно аммиак прибавлением едкой извести, при чем устраняется переход углекислоты в перегон. Органические вещества и азотистые соли разрушают прибавкою минерального хамелеона (марганцово-калиевой соли), для чего по предписанию швейцарской фармакопеи прибавляют 1 / 1000 этой соли к перегоняемой воде. Нидерландская фармакопея предписывает после разрушения органических веществ марганцово-калиевой солью прибавить еще калийных квасцов до кислой реакции и тогда лишь подвергнуть воду перегонке. Германская фармакопея, ввиду невозможности дать общеприменяемый способ, не дает указаний, как очистить воду, но ставит весьма строгие требования относительно чистоты ее целым рядом реакций. Новейшая российская фармакопея (изд. 1891 года) ставит те же строгие требования, но указывает лишь обычный (старый) способ перегонки с удалением первых частей перегона; не подлежит сомнению, что этим путем в весьма лишь редких случаях можно получить препарат, удовлетворяющий установлению. Особо чистая перегнанная и стерилизованная продолжительным кипячением вода требуется, напр., для приготовления глазных капель, подкожных впрыскиваний и некоторых других целей, ввиду того, что летучие органические составные части, переходящие в обыкновенную перегнанную воду, поддерживая жизнь попадающих в нее бактерий, делают последнюю негодною для некоторых врачебных целей.
А. В. Пель. ? .
VI. Вода для технического применения, особенно же для паровых котлов. Огромные количества В. в самых разнородных технических производствах служат прежде всего для питания паровых котлов, и едва ли меньшие ее массы применяются для растворения, промывки и т. п. целей. Здесь рассматривается применение В. лишь в первом отношении, но и для других технических целей часто можно пользоваться теми способами и сведениями, которые выясняются при рассмотрении отношения В. к паровым котлам. Растворенные в воде вещества могут оказывать очень сильное действие на материал паровых котлов, вызывать их быстрое изнашивание и даже полное разрушение. При нагревании и при испарении жесткой В. в паровом котле происходят следующие явления. Сначала выделяются газы, в том числе растворенные кислород и углекислота и так называемая полусвязанная углекислота (освобождающаяся при превращении двууглекислых солей в средние углекислые); затем, а частью одновременно, происходит выделение в осадок солей и оснований. Одна часть из этих соединений осаждается вследствие сгущения их раствора по мере испарения воды; другая ? вследствие уменьшения растворимости при высокой температуре, наконец, третья ? вследствие особых реакций, происходящих между растворенными в воде веществами. Уже выделение газов не остается без влияния на изнашивание обычных паровых котлов. От действия влажной смеси кислорода и углекислоты, когда эти газы почему-либо долго остаются в прикосновении со стенками котла, происходит ржавление и разъедание стенок котла. Особенно же вредное влияние имеет сероводород (если он содержится в В. взятой для питания паровика), сильно действующий на железо. Однако нужно заметить, что сильная порча котла от действия кислорода и углекислоты может произойти лишь в особых случаях, когда при неправильной конструкции или при неправильной установке котла газы задерживаются в каких-нибудь частях его.
Несравненно больше вреда паровым котлам приносят образующиеся из В. осадки твердых веществ, называемые котельною накипью, или котельным камнем. Котельная накипь осаждается или в виде рыхлой массы (грязи), или, чаще, в виде твердой кристаллической корки, пристающей к стенкам котла. В наибольших количествах в котельных накипях содержатся углекислые соли кальция и магния, серно-кальциевая соль и гидрат окиси магния, в меньших количествах ? кремнезем, силикаты, реже встречаются гидраты глинозема и окислов железа (в некоторых случаях нерастворимые соли жирных кислот). По химическому составу можно разделить котельные накипи на две группы: 1) на содержащие преимущественно гипс (часто одновременно гидрат окиси магния) и 2) на состоящие главным образом из углекислых солей кальция и магния. Твердые накипи обыкновенно как главную составную часть содержат серно-кальциевую соль, хотя встречаются весьма твердые накипи, состоящие главным образом из углекальциевой соли. Твердые минеральные вещества, выделяющиеся из воды, тем легче получаются в виде твердой кристаллической корки, чем медленнее происходит осаждение. Часть углекислых щелочноземельных солей (СаСО 3 и MgCO 3 ) при нагревании воды выделяется в порошкообразном состоянии вследствие разложения двууглекислых солей (Ca[HCO 3 ] 2 и Mg[HCO 3 ] 2 ), другая же часть остается растворенною в кипящей воде (1 литр воды растворяет 0,034 гр. СаСО 3 и 0,100 MgCO 3 ), осаждается в кристаллическом состоянии по мере испарения воды в котле и цементирует раньше образовавшиеся порошковатые осадки, некоторая же часть углекислых солей (извести) осаждается также вследствие уменьшения растворимости при нагревании. Серно-кальциевая соль также выделяется постепенно от испарения воды и отчасти вследствие изменения растворимости при нагревании. Серно-кальциевая соль осаждается в паровых котлах в виде различных соединений: в виде гипса (CaSO 4 х2Н 2 О) лишь при обыкновенном или близком к нему давлении в виде 2CaSO 4 •H 2 O и CaSO 4 (ангидрида) при высоких давлениях. Такие соединения, как кремнезем, силикаты и органические вещества, выделяются преимущественно от сгущения раствора по мере испарения воды, частью же, вероятно, вследствие перехода в менее растворимые соединения от действия высокой температуры. Гидрат окиси магния образуется из содержащихся в воде магниевых солей от действия на них воды при высокой температуре. Гидраты окислов железа могут образоваться частью из углежелезистой соли (FeCO 3 ) от действия на нее воды [Fe(ОН) 3 образуется благодаря одновременному присутствию кислорода], чаще вследствие растворения в воде материала самого котла и следующего затем разложения железных солей. Особенно легко разъедание котла может происходить в присутствии хлористого магния или серно-магниевой соли (еще легче в присутствии свободных кислот, но воды, их содержащие, встречаются сравнительно редко). Эти магниевые соли от действия воды при высокой температуре частью распадаются на свободную кислоту (хлористоводородную или серную) и гидрат окиси магния. Свободная кислота растворяет железо котла, образуется соль закиси железа, переходящая от действия растворенного в воде кислорода в соль окиси железа; соль окиси железа от действия гидрата окиси магния дает гидрат окиси железа и соответственную магниевую соль. Восстановившаяся при этом магниевая соль снова распадается с водою на свободную кислоту и гидрат окиси магния. Таким образом может происходить круговой процесс, выражаемый следующими уравнениями:
MgCl 2 + 2Н 2 О = Mg(OH) 2 + 2НСl;
Fe + 2НСl = FeCl 3 + H 2 ;
2FeCl 3 + 2HCl + O = 2FeCl 3 + H 2 O;
2FeCl 3 + 3Mg(OH) 2 = 2Fe(OH) 3 + 3MgCl 2 .
Очевидно, что присутствие в воде, питающей котел, относительно небольшого количества хлористого магния или серно-магниевой соли может повести к растворению весьма значительного количества железа, т. е. к сильному разъеданию котла. Совершенно аналогичный процесс будет происходить при содержании в воде таких же солей алюминия или тяжелых металлов. Из органических веществ наиболее вредное действие на котел производят жирные вещества, попадающие в воду из смазки (содержатся в значительном количестве часто в конденсационной воде). Жирные вещества, осаждаясь на стенках котла, препятствуют смачиванию их водою, что может повлечь за собою перегрев стенок и дальнейшие связанные с ним последствия. Содержащиеся в воде или образующиеся от действия воды на жиры при высокой температуре жирные кислоты могут производить сильное разъедание котла и, осаждаясь в виде нерастворимых мыл, увеличивать количество накипи. Чем выше получается в котле давление, а след., и температура, тем порча котла ускоряется, вред дурной воды увеличивается и вероятность взрыва становится большею (см. Котлы, Паровики). Из приведенных данных легко вывести те требования, которые должны быть предъявлены к воде, назначаемой для питания парового котла. Эта вода должна быть прозрачна, не должна содержать значительных количеств кальциевых и магниевых солей, не должна заключать кислот, или соединений, образующих от действия воды при высокой температуре свободные кислоты (каковы, напр., глиноземные, магниевые и аммиачные соли), или вообще веществ, легко действующих на железо котла (напр., сернистых и жирных соединений). В практике нередко приходится пользоваться для паровых котлов водою, не удовлетворяющею всем этим требованиям; наичаще приходится иметь дело с водою, содержащею много кальциевых и магниевых солей, присутствие которых ведет к образованию накипи. Образование котельной накипи сопровождается весьма многими вредными, прямо экономически очевидными последствиями [особо важными для паровых котлов паровозов и пароходов, так как починка и даже чистка паровиков здесь очень затруднительна и экономически отзывается очень сильно, напр., в задержке заработка и в необходимости иметь запасные паровозы и паровики] для котла. 1) Оно сопровождается значительным излишним расходом топлива на нагревание котла вследствие уменьшения теплопроводности стенок котла от покрывающего их осадка. Перерасход топлива от накипи для паровозных котлов составляет от 25 до 80% при известной толщине слоя накипи. 2) Вследствие перегревания железа и от повреждений и ударов при чистке для отбивания накипи котел быстро изнашивается. При значительной толщине накипи железные листы котла накаливаются, отчего в отдельных местах происходят выпучивания, трещины и течь в швах. 3) От образования накипи также могут происходит взрывы паровых котлов. При накаливании стенок котла накипь отстает от них часто сразу большими пластинами; при этом вода приходит в соприкосновение с накаленною ставкою котла, сразу образуется большое количество пара, последствием чего легко может быть взрыв котла. Опасность взрыва увеличивается еще тем, что железо при высокой температуре имеет меньшую крепость (еще быстрее уменьшается при нагревании крепость меди). 4) Если накипь выделяется в виде грязи, то, кроме лишнего расхода топлива, кипение воды в котле происходит неправильно, вода пенится, грязь закупоривает инжектор, водомерную трубку, манометр; уносится в вентили и даже в машину. Для предотвращения столь пагубного действия нечистот В. на котлы предложено много способов. Все эти способы можно разделить на следующие группы: 1) механические средства, при помощи которых стараются устранить осаждение накипи на стенках котла; 2) приемы, посредством которых значительно уменьшают количество образующейся накипи; 3) прибавление различных веществ в котел для предотвращения осаждения накипи на его стенках в виде твердой корки; 4) предварительное химическое очищение В. до поступления ее в котел от всех веществ, могущих образовать накипь. Механическим путем предотвращают осаждение накипи на стенках котла или помощью вкладок, вставляемых в котлы, или заставляя воду быстро циркулировать в котле, или придавая котлу такое устройство, при котором осадки собираются лишь в некоторых частях котла, в особых сборниках. Из вкладок можно указать на самую простую вкладку Шмитца (Schmitz), представляющую корыто из железных листов, которое устанавливается в котле эксцентрично с дном и так, чтобы оставался промежуток (33-66 миллим.) с внутреннею поверхностью котла. Вкладка Поппера (Popper) отличается от предыдущей лишь тем, что в ней по длине вставлены (на расстояниях в 63 сантиметров) открытые трубки, оканчивающиеся ниже уровня В. в котле. Благодаря таким вкладкам происходит сильная циркуляция В. между дном котла и вкладкою, осадки взмучиваются и уносятся вверх и отлагаются преимущественно на поверхности вкладок, так как здесь В. находится лишь в слабом движении. Полезность этих и им подобных вкладок во многих случаях (хотя далеко не всегда) доказана практическими наблюдениями. Примером такого устройства, при котором быстрой циркуляцией В. устраняется осаждение накипи, может служить котел Фильда, представляющий вертикальный паровой котел, в дно которого вставлены вертикальные, сверху открытые кипятильные трубки, входящие в топочную коробку. В эти кипятильные трубки вставлены другие, несколько меньшего диаметра, открытые сверху и снизу. В. в наружных трубках сильнее нагревается, нежели во внутренних, и потому происходит быстрая циркуляция В. в трубках (скорость движения В. доходит до 3 метров в секунду) и в самом котле. Благодаря быстрому движению В. выделяющиеся осадки не отлагаются на стенках котла, а остаются взвешенными в В. В паровых котлах, снабженных сборниками для осадков, также не устраняется вполне осаждение накипи на стенках котла, а достигается лишь осаждение меньших количеств накипи.
К средствам, помощью которых уменьшают количество вообще образующейся накипи, относятся: частое выдувание котла, предварительное подогревание В., питающей котел, употребление конденсационной В. от мятого пара. При частом выдувании котла, т. е. спускании из него части В. под давлением через особые (продувные) краны, количество накипи уменьшается, главным образом потому, что выделившиеся и взвешенные в В. осадки частью удаляются вместе с водою. Очевидно, что выдувание котла хотя и полезно, но малоэкономно и имеет очень ограниченное значение. Употребление конденсационной В. может быть полезно только при соблюдении надлежащих предосторожностей. Конденсационная В. от мятого пара содержит часто значительное количество жиров и жирных кислот, присутствие которых может повлечь за собою вышеуказанные весьма вредные последствия для котла. Такая конденсационная В. может быть употребляема для питания котла без вредных последствий только после предварительного очищения ее. Предварительное подогревание В., питающей котел, которым весьма часто пользуются в видах экономии топлива, может служить также для уменьшения количества накипи преимущественно в том случае, когда В. содержит главным образом двууглекислые соли кальция и магния. Тогда при подогревании В. вследствие перехода этих солей в средние углекислые часть последних выделяется в порошкообразном состоянии уже при подогревании. Если В. подогревается до высоких температур (130-160¦), то часть углекальциевой и серно-кальциевой солей выделяется также оттого, что при этих температурах растворимость их значительно уменьшается. Примером приспособлений, употребляемых для предварительного подогревания В., может служить подогреватель или экономайзер Грина (Green's fuel economiser). Воду прежде поступления в котел заставляют проходит по 6-8 горизонтальным чугунным трубам, из которых каждая посредством 7-8 вертикальных трубок соединяется с расположенною ниже и ей параллельною другою горизонтальною трубою. Вся батарея труб помещается в кирпичной камере, через которую проходят продукты горения из-под парового котла прежде, нежели они отводятся в дымовую трубу. Для лучшего задерживания осадков в вертикальные трубки вставляются особые вкладки, на которых собирается часть осадков, и затем удаляются при чистке трубок.
Для устранения осаждения накипи в виде твердой кристаллической корки предлагали и постоянно вновь предлагают прибавлять в котел разнообразные вещества, минеральные и органические. Одни из этих веществ (напр., жиры, деготь, нефтяные масла и т. п.) предлагают для смазывания стенок котла с целью устранить прилипание к ним накипи. Другие (напр., кислоты, нашатырь) ? для переведения нерастворимых веществ в растворимые. Наконец, третьи для получения накипи в виде рыхлого осадка, легко удаляемого из котла. Излишне было бы обсуждать значение отдельных из предлагаемых препаратов; нетрудно в большинстве случаев, зная состав этих препаратов, определить последствия от их употребления; почти все они при прибавлении в паровой котел приносят ему огромный вред. Самые предложения таких средств вызываются отчасти излишним доверием в технической практике к эмпирическому и поверхностному опыту. Смазывание стенок дегтем, нефтяными маслами (относительно действия жиров уже было сказано выше) и т. п. приносит гораздо больше вреда, нежели пользы. Все такого рода смазки препятствуют смачиванию водою стенок котла, вследствие чего затрудняется передача тепла, нередко кипение В. сопровождается толчками, в отдельных же случаях такие смазки облегчают пригорание накипи. Вообще в паровой котел не должны быть прибавляемы вещества, вредно действующие на материал котла (напр., вещества кислотного характера) или образующие такие продукты с содержащимися в В. солями или с самою водою при высокой температуре в паровом котле (каковы соли магния, алюминия, тяжелых металлов и проч.), или, наконец, вещества, которые могут сами непосредственно выделяться в виде накипи (напр., различные легко разлагающиеся при нагревании органические вещества). Таким образом из препаратов, предлагаемых для прибавления в паровые котлы, безопасно только употребление соды и едкого натра: соду при содержании в В. преимущественно серно-кальциевой соли, а едкий натр при преобладании двууглекислой соли кальция или магниевых солей. Сода при действии на серно-кальциевую соль будет осаждать углекальциевую соль, между тем как серно-натриевая соль останется в растворе; едкий натр будет действовать на двууглекислые соли кальция и магния, образуя нерастворимые углекислые соли тех же металлов и растворимую соду, при действии же на другие соли магния даст нерастворимый гидрат окиси магния и соответственные растворимые соли натрия. Все указанные нерастворимые соединения вследствие быстрого осаждения будут выделяться в виде порошковатых осадков, а не в виде накипи. Однако употребление и этих реактивов может привести к хорошим результатам только тогда, когда количество их будет соответствовать содержанию щелочноземельных металлов; избыток же прибавленных реактивов, особенно едкого натра, повлечет неблагоприятные последствия ? кипение с толчками. В случае содержания больших количеств гипса может оказаться полезным прибавление в котел также хлористого бария. Вообще же лучше совершенно отказаться от уничтожения вредного действия состава В. на паровые котлы посредством прибавления каких-либо веществ в самые котлы, так как такое пользование указанными реактивами может повести к благоприятным результатам только при определенных, трудновыполнимых условиях. Единственный рациональный путь почти для полного устранения вредного действия накипи на котел представляет предварительное химическое очищение В., т. е. до поступления ее в паровой котел. Предварительное химическое очищение В. для парового котла состоит, как уже было указано, в том, что из нее помощью химических реактивов осаждают и отделяют все те вещества, из которых образуются накипи, т. е. в обыкновенных случаях кальциевые и магниевые соли. Очищению В. должен предшествовать анализ ее, так как только тогда очищение может быть ведено правильно и может достигать цели. Следующие способы предварительного очищения наиболее употребительны. 1) Способ Кларка (Clark). ? Очищение В. производится нагреванием ее в открытых железных резервуарах с водною известью, прибавляемой в виде известкового молока. По этому способу достигают только удаления двууглекислых щелочноземельных солей [Са(НСО 3 ) 2 + Са(ОН) 2 = 2СаСО 3 + 2Н 2 О] и осаждения водной окиси магния из легкорастворимых магниевых солей (напр., MgCl 2 + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + CaCl 2 ), между тем как гипс остается в растворе. Следовательно, по этому способу не устраняется вполне образование накипи, что не мешает пользоваться им с выгодою в некоторых частных случаях. Так, напр., на сахарорафинадном заводе московского товарищества по этому способу очень удовлетворительно очищается сильно загрязненная отбросами красильных фабрик В. реки Яузы, при чем, однако, после очищения известью вода фильтруется через костяной уголь.
2) Способ де Гена (de-Haen). ? Очищение производится посредством извести и хлористого бария, который вступает в двойное разложение с сернокислыми солями (CaSO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 + CaCl 2 ), образуя нерастворимую серно-бариевую соль. При правильном пользовании этими реактивами, именно при употреблении лишь очень небольшого избытка хлористого бария (очищенная В. должна давать муть с раствором серно-натриевой соли только через несколько минут), а также при возможном устранении избытка извести (очищенная В. должна обнаруживать щелочную реакцию с лакмусовой бумажкой лишь спустя 1 / 4 минуты) достигаются вполне удовлетворительные результаты. Реакции необходимо вести при нагревании. Для очищения предварительно нагретую воду наливают в железные ящики (вместимостью 4-8 кубич. метр.), где обрабатывают ее реактивами; по отстаивании В. спускается для окончательного осветления в резервуар (6-12 куб. м вместимости), расположенный ниже ящиков. Главные недостатки этого способа: медленное осветление В., вследствие этого необходимость употреблять большие резервуары, необходимость вести реакции при нагревании, частью бесполезный расход хлористого бария (так как он вступает в обменное разложение со всеми сернокислыми солями), наконец, очищение по этому способу дороже, нежели по некоторым другим. Кроме того, в описанном виде способ неприменим для В., содержащей хлористый магний или серно-магниевую соль в значительных количествах.
3) Способ Болига (Bohlig). ? Очищение В. основано на осаждении гидратом окиси магния при действии на двууглекислые щелочноземельные соли нерастворимых средних углекислых солей и на разложении серно-кальциевой соли действием углемагниевой соли [Са(НСО 3 ) 2 + Mg(HO) 2 = СаСО 3 + MgCO 3 + 2Н 2 О; CaSO 4 + MgCO 3 = CaCO 3 + MgSO 4 ]. Реакция производится при нагревании. Окись магния (MgO) и небольшое количество углемагниевой соли (MgCO 3 ) смешивают с древесными опилками и смачивают водою; через некоторое время масса сама собою разогревается, MgO превращается в Mg(ОН) 2 , который (вместе с MgCO 3 ) плотно пристает к опилкам и таким образом распределяется на огромной поверхности. Таким препаратом (Magnesia-Praparat) нагружают четыре железных цилиндра (около 1 куб. метра вместимостью), соединенных между собою трубами в батарею. Если очищаемая В. мутная, то ее сначала пропускают через фильтр с коксом или через фильтр-пресс и затем, нагрев до 60-70¦ Ц., через батарею с магнезиальным препаратом. Из четвертого цилиндра В. выходит очищенная и прозрачная и непосредственно может служить для питания котла. Каждую неделю один цилиндр опоражнивается и наполняется свежим препаратом в последовательном порядке. Когда, напр., первый цилиндр будет опорожнен и наполнен свежим препаратом, то В. впускают во второй цилиндр батареи, заставляя ее последовательно проходить цилиндры 2, 3, 4, 1. Очищенная В. постоянно будет выходить из цилиндра, наполненного свежим препаратом. Работа с батареей непрерывная и автоматическая. Результаты в отношении осаждения кальциевых солей вполне удовлетворительные, хотя небольшое количество их остается в растворе.
Хотя в литературе можно встретить весьма благоприятные отзывы о способе Болига, но вполне удовлетворительные результаты могут быть достигнуты при применении этого способа лишь для В., жесткость которой зависит главным образом от содержания двууглекислых щелочноземельных солей. Можно с уверенностью утверждать, что при очищении по этому способу В., содержащей много серно-кальциевой соли (также хлористого кальция), хотя и устранится образование накипи, но будет происходить сильное разъедание котла от действия на железо серно-магниевой соли (и хлористого магния). В., очищенная по способу Болига, имеет щелочную реакцию вследствие содержания в растворе небольшого количества гидрата окиси магния, а потому многие полагают, что ни хлористый магний, ни серно-магниевая соль в присутствии свободного основания [Mg(OH) 2 ] не будут оказывать вредного действия на котел, т. е. эти соли в присутствии гидрата окиси магния не будут разлагаться водою с образованием свободных кислот. Ввиду присутствия в В. небольшого количества гидрата окиси магния нельзя согласиться с таким взглядом, особенно в применении к котлам высокого давления (наприм., к паровозным). Следовательно, способ Болига нельзя считать правильно применимым для очищения В., содержащей много гипса, хлористого кальция, а также хлористый магний и серно-магниевую соль, которые вообще не удаляются из В. при очищении по этому способу.
Вообще, в основу рационального способа очищения воды должен быть положен следующий главный принцип: выбор реактивов и количество их для очищения В. должны быть определяемы, руководясь характером и количеством веществ, растворенных в В. На таком принципе основан 4) способ Беранже и Штингля (Berenger et Stingl). Число реактивов, употребляемых при этом способе, невелико, так как и вещества, встречающиеся растворенными в В., обыкновенно служащей для питания котлов, и могущие образовать накипи, не разнообразны; при способе Б. и Ш. употребляются как реактивы: водная известь, едкий натр и сода. При помощи этих реактивов осаждаются соли кальция, магния, железа, силикаты, кремнезем, глинозем и часть растворенных в В. органических веществ. При определении, какие из этих реактивов должны быть употреблены для очищения В., можно руководиться следующими главными правилами: а) Если в В. содержатся эквивалентные количества двууглекислых щелочноземельных солей и серно-кальциевой соли, то употребляется только едкий натр, причем реакции происходят по нижеследующим уравнениям: М(НСО 3 ) 2 + 2NaHO = MCO 3 + Na 2 CO 3 + 2H 2 О [М = Са, Mg]; CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 . Если относительное количество двууглекислых щелочноземельных солей еще больше, то также употребляют один едкий натр, потому что при этом образуется больше соды, нежели сколько нужно для разложения серно-кальциевой соли. б) Если В. содержит только гипс, то употребляют одну соду: CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 (эта соль в растворе). в) Если гипс содержится в количестве, превышающем эквивалентное по отношению к заключающимся двууглекислым солям, то употребляют соду и едкий натр одновременно. Напр. при содержании в воде на 2CaSO 4 только 1 М(НСО 3 ) 2 количества реактивов определяются из следующего уравнения:
[М(НСО 3 ) 2 + 2NaHO и 2CaSO 4 + Na 2 CO 3 ] = МСО 3 + 2СаСО 3 + +2Na 2 SO 4 +2H 2 O. г) Если В., кроме двууглекислых щелочноземельных солей и гипса, содержит хлористый магний, серно-магниевую соль, железные и алюминиевые соли, то эти соединения также разлагают едким натром, при чем получаются нерастворимые гидраты окисей этих металлов. Щелочные силикаты, свободная кремневая кислота и жирные кислоты осаждаются известью в виде соответственных кальциевых солей. В способе Б. и Ш. реактивы употребляются в виде растворов (весьма важно избегать избытка извести, так как она сама образует накипь) и в строго определяемых количествах. Вместо едкого натра можно употреблять щелок, приготовленный из соответственных количеств соды и извести. Реакция ведется при обыкновенной температуре. Аппараты для очищения В. по способу Б. и Ш. употребляются различные, смотря по количеству очищаемой В. При очищении небольших количеств В. нужно иметь: ящик (железный) для растворения реактивов, 2 чана определенной емкости с приспособлениями для декантации и 1 фильтр. Чаны наполняют В., прибавляют необходимое количество раствора реактивов из ящика, расположенного выше чанов, перемешивают и оставляют в покое. Большая часть осадков быстро собирается на дне чана, более мелкие частицы остаются суспендированными; тогда В. спускают помощью каучукового сифона с поплавком в фильтр, представляющий закрытый железный цилиндр с вставленным внутри сетчатым дном, наполненный древесными стружками и коксом. Для удаления грязи, осаждающейся в чанах, последние снабжены спускными трубками с кранами. Для очищения больших количеств В. (напр. для железнодорожных водокачек) Б. и Ш. употребляют непрерывно действующий аппарат более сложного устройства. Он состоит из 4 закрытых цилиндров, соединенных между собою трубами. Первый цилиндр (melangeur), наименьшего размера, служит для смешения В. с реактивами; в 3 следующих высоких цилиндрах (sedimenteur), большого диаметра, происходит отделение осадков. Последнее достигается таким образом, что В. о каждом большом цилиндре заставляют притекать по трубе малого диаметра, оканчивающейся недалеко от дна цилиндра, после чего В. переходит в пространство самого цилиндра, поднимается в нем вверх, затем по узкой передаточной трубе течет почти до дна следующего цилиндра и т. д. В. спускается по соединительным трубам с большою скоростью; при переходе из трубы в широкий цилиндр эта скорость сразу уменьшается и В. медленно поднимается в цилиндре вверх, вследствие чего взмученные твердые частицы падают вниз. Чтобы ослабить взмучивание струей В. осадков, собирающихся внизу цилиндров, над концом каждой подающей В. трубы в цилиндрах помещают открытый сверху конус, обращенный вершиною вниз. В верхней части последнего цилиндра помещен фильтр, для чего между двумя вставленными сетчатыми перегородками накладывается фильтрующий материал. В дно каждого большого цилиндра вставлена трубка с краном для спуска осаждающейся грязи. Для суждения о правильности действия аппарата служат следующие контрольные пробы. В., выходящая из аппарата, должна быть прозрачна, не должна иметь щелочной реакции, не должна давать осадка с раствором щавелево-аммиачной соли, также не должна давать осадка при прибавлении новых количеств употребленного для очищения реактива. При помощи этого способа достигают во всех отношениях вполне удовлетворительного результата; реакция вообще происходит быстро, но в отдельных случаях требует 1 / 2 -1 часа времени (при расчете размеров аппарата на данное количество воды принимают 1 1 / 2 часа). Аппарат Б. и Ш. имеет большой объем и потому занимает много места и дорого обходится. В России очищение В. по этому способу введено на Юго-Западных и на Ростово-Владикавказской железных дорогах. Менее занимают места и во всех отношениях удобнее аппараты Галлье (Gaillet). Устройство этих аппаратов основано на следующем принципе. Если в высоком сосуде поместить жидкость, в которой взмучены твердые вещества, имеющие больший уд. вес, нежели сама жидкость, то твердые частицы падают вниз и через некоторое время собираются на дне сосуда. Твердые частицы, находящиеся в низшем слое жидкости, осаждаются довольно быстро, но на их место в тот же слой спускаются частицы из верхних слоев жидкости, а потому осветление нижних слоев происходит лишь после осветления верхних. Если в таком сосуде поставить 10 горизонтальных перегородок и разделить ими жидкость на 10 равных по толщине слоев, то осветление каждого слоя будет происходить независимо от других и осветление всей жидкости произойдет в 10 раз скорее, нежели в предыдущем случае. Если жидкость находится в сосуде не в покое, но протекает через сосуд непрерывно и с постоянною скоростью, не превышающею некоторого предела, то, разделяя пространство сосуда перегородками и заставляя жидкость проходит по каналам между этими перегородками, можно достигнуть подобного же результата. При введении в сосуд перегородок осветление жидкости ускоряется не только от того, что ее разделяют на слои малой высоты, но также от притяжения твердых частиц поверхностью перегородок и вследствие увеличения трения. Галлье устраивает аппараты двух типов: вертикальные (в настоящее время двух родов: призматические и цилиндрические) и горизонтальные. Вертикальный аппарат для декантации представляет высокий призматический ящик, в котором укреплены 15 перегородок, параллельных одна к другой и под углом около 45¦ к вертикали; перегородки приклепаны попеременно к двум противоположным стенкам ящика, так что между перегородками образуются каналы, сообщающиеся через промежутки между свободными краями перегородок и стенками ящика, причем эти сообщающиеся отверстия будут расположены попеременно у двух противоположных стенок ящика. Перегородки представляют или плоские пластины, или корыта. Над этим декантационным аппаратом располагаются 2 резервуара, в которых производится смешение очищаемой воды с реактивами, а над ними небольшой бак с раствором реактивов. Неосветленная вода вступает в декантационный аппарат снизу, поднимается над первой перегородкой, затем спускается над второй, опять поднимается над третьей и т. д. Твердые частицы осаждаются на наклонные перегородки, спускаются по ним в углы, образуемые приклепанными концами половины перегородок и одною стенкою ящика, и отсюда легко могут быть удалены через вставленные в этих местах трубки с кранами.
По-видимому, еще более удобен для очищения В. аппарат Дене (Dehne). Способ очищения В. по Дене только тем существенно отличается от способа Б. и Ш., что очищаемая вода нагревается (70-80¦ Ц.), благодаря чему происходит более полное выделение кальциевых и магниевых солей, нежели при очищении на холоду; реактивами служат также едкий натр и сода. Аппарат Дене занимает мало места и действует автоматически. Он состоит из следующих частей: подогревателя для воды, цилиндра для осаждения, фильтр-пресса, водяного насоса, насоса для раствора реактивов и ящика для растворения реактивов. Очищаемая В. поступает сначала в подогреватель, нагреваемый мятым паром; повышение температуры ведут до 70-80¦ Ц.; затем гретая В. переходит в цилиндр, служащий для осаждения, где смешивается с раствором реактивов; потом фильтруется в фильтр-прессе, откуда выкачивается насосом и подается в паровой котел. При каждом ходе поршня этого насоса в цилиндр для осаждения В. поступает определенное количество подогретой воды, одновременно малый насос подает в тот же цилиндр определенное количество раствора реактивов. Количество реактивов определяется на основании анализа воды. Уход за аппаратом состоит в ежедневном очищении фильтр-пресса (на что требуется 10-25 минут, см. Выжимание) и наполнении через каждые 6-8 дней ящика раствором реактивов. Для контроля за ходом работы берут пробы из пробного крана фильтр-пресса; проба должна быть прозрачна и не должна давать мути даже при стоянии с раствором щавелево-аммиачной соли, показывающей присутствие солей извести.
Относительно стоимости очищения воды нельзя дать определенных указаний, так как расходы прежде всего зависят от качества воды и от местных цен на употребляемые реактивы. По немецким данным очищение 1 куб. метра (тонны, 61 пуд или около 80 ведер) воды по способу Болига обходится от 5-6 пфенигов (2,5-8 коп.), а очищение по способу Дене 8,4 пфен. (4,3 к.). По расчетам Коншина, для Ростово-Владикавказской дороги очищение по способу Болига обходилось в 6 раз дороже очищения щелочами по способу Беранже и Штингля.
Анализ воды для паровых котлов. ? Так как пригодность воды для питания парового котла обусловливается возможно меньшим содержанием таких веществ, которые могут образовать накипь, то для определения качества назначенной для этого воды и для решения вопроса о том, какие реактивы и в каком количестве должны быть применены для очищения воды, нет надобности в полном анализе воды. Для этой цели, кроме качественного испытания воды, достаточно произвести следующие определения: определение количества всего сухого вещества, потери при прокаливании и сухого остатка, связанной и полусвязанной угольной кислоты, серной кислоты, кремнезема, хлора, глинозема и окиси железа вместе, извести, магнезии и щелочей (принимая все количество щелочи за натр, так как содержание кали обыкновенно очень небольшое). Весьма часто ограничиваются определениями кислот: угольной, серной и хлора, а из оснований ? извести и магнезии, так как остальные вещества находятся в обыкновенной воде в весьма малых количествах. Все эти определения производят обыкновенными аналитическими способами, причем потерю сухого остатка при прокаливании в обыкновенных случаях принимают равною содержанию органических веществ (хотя это и неверно, но и другие способы определения органических веществ не дают точных результатов). Нередко вместо более или менее подробного анализа для суждения о пригодности воды для парового котла довольствуются определением так называемой жесткости воды, т. е. количества содержащихся в ней окисей кальция и магния. Жесткость обыкновенно выражают в градусах, немецких или французских. Немецкие градусы соответствуют содержанию извести (СаО) в миллиграммах в 100 куб. сант. воды; французские ? содержанию углекальциевой соли (СаСО 3 ) в миллиграммах также в 100 куб. сант. воды. Жесткость выражают иногда английскими градусами, но такое обозначение неудобно, так как 1¦ английский соответствует содержанию 1 грана углекальциевой соли в 1 галлоне = 70000 гран. Отношение между различными градусами жесткости: 1¦ франц. = 0,56¦ немецк. = 0,70¦ английского. Напр., вода, имеющая жесткость в 14¦ немецких, содержит в 100 куб. сант. количество извести и магнезии, равное по действию 14 миллиграмм. извести (СаО). Если вода имеет жесткость в 14¦ французских, то это значит, что в 100 куб. сант. ее содержится такое количество извести и магнезии, которое соответствует 14 милиграмм. углекальциевой соли (СаСО 3 ). Различают жесткость полную, постоянную и временную (см. выше III). Полной жесткостью называют жесткость воды в том виде, как ее получают, т. е. воды, не подвергавшейся нагреванию. Постоянная жесткость есть жесткость прокипяченной воды. При кипячении 1 / 2 углекислоты двууглекислых щелочноземельных солей выделяется, отчего значительная часть углекислых солей кальция и магния осаждается; если взятое количество воды после кипячения довести прибавлением дистиллированной воды до первоначального объема, то найденная затем жесткость и есть постоянная. Временною жесткостью называют разность между полною жесткостью и постоянною. Определение жесткости производится посредством титрования испытуемой воды раствором мыла (см. выше V). Выполнение самого анализа удобнее всего производить по методу Бутрона и Буде, несколько изменивших первоначальный способ, предложенный Кларком.
Для расчета количеств реактивов, необходимых для очищения воды, нужно на основании аналитических данных (т. е. найденных количеств отдельных оснований и кислот) вычислить количества отдельных солей, растворенных в воде. Хотя это вычисление основано на совершенно произвольных положениях, но получаемые посредством его результаты удовлетворяют практической цели, т. е. на основании их можно достаточно точно определить количество реактивов для очищения воды. При группировке оснований и кислот для вычисления количеств отдельных солей руководятся следующими главнейшими правилами. По количеству натрия вычисляют количество хлористого натрия. Для обыкновенных вод содержание натрия соответствует содержанию хлора. Серную кислоту перечисляют на гипс; остаток извести, а также магнезии, перечисляют на углекислые соли; для контроля вычисляют количество углекислых солей по содержанию углекислоты в сухом остатке: оба результата обыкновенно совпадают. Зная содержание этих углекислых солей в сухом остатке, количество двууглекислых солей в воде может быть вычислено или на основании определения в воде всей углекислоты, или по временной жесткости воды. Остальные составные части: органические вещества, кремнезем, глинозем ? обыкновенно не требуется перечислять на какие-либо соединения.
Новые сочинения о воде. F. Fischer, "Die chemische Technologie des Wassers", 1880; его же, "Das Wasser, seine Verwendung, Reinigung, und Beurtheilung" (1891); Бунге, "Химическая технология" (т. 1, 1879); А. Коншин, "Вредное влияние накипи в паровых котлах и способы ее уничтожения" (1880); Л. Никитинский, "Котельная накипь, ржавление и разъедание паровых котлов и средства для уничтожения этих явлений" (1884).
В. И. Руднев. ? .
VII. Вода в крашении имеет первенствующее значение, и так как состав встречающейся в природе В. весьма различен, то далеко не всякая В. пригодна для крашения. Речная вода, особенно зимою, обыкновенно содержит в растворе меньшее количество минеральных веществ, чем ключевая или колодезная, и, вообще говоря, первая более пригодна для крашения, чем последняя. Вредное влияние жесткой воды, содержащей много углекальциевой и углемагнезиальной соли, сказывается прежде всего в излишнем, непроизводительном расходе мыла. Мыльный раствор в такой воде дает нерастворимый пластыреобразный осадок известкового мыла. Каждый грамм извести связывает 15,5 гр. мыла. Это мыло, кроме того, что пропадает без пользы, оседая на ткань, пачкает ее, очень трудно удаляется последующей обработкой и, притягивая пигмент, обусловливает пятнистость, неоднородность окрашивания. Аналогично действует и растворенная в воде серно-известковая соль. Кроме того, жесткая вода увеличивает расход некоторых пигментов: ализарин, кашу, многие красильные дерева дают с известью и магнезиею нерастворимые лаки, оседающие на дно и не участвующие в крашении. Она действует так же вредно на растворы некоторых протрав, напр., глинозема, железа, а некоторые краски, напр. метилвиолет, нерастворимы в жесткой воде. Содержание даже незначительного количества железа делает воду абсолютно непригодной для некоторых окрашиваний. Так, при крашении ализарином даже содержание 1-2 миллиграммов окиси железа в одном литре воды резко изменяет в неблагоприятную сторону, темнит оттенок цвета глиноземно-ализаринового лака. Шерстомойни, работающие на воде, содержащей железо, дают шерсть, которая не дает хороших, светлых оттенков. В болотной воде часто содержатся свободные гумусовые кислоты, растворяющие при промывках нанесенную на ткань протраву; вместе с тем такая вода, хотя бы первоначально не содержала железа, проходя по железным трубам, частью растворяет его и таким образом делается непригодной для крашения. Предел жесткости воды, определяющий ее пригодность для крашения, составляет 5-6 грам. извести в 1000000 гр. воды. Непригодная для крашения, жесткая вода может быть улучшена (способами, описанными в VI). Вода, в которой преобладают двууглекислые щелочные земли, может быть уже значительно улучшена простым кипячением, при чем углекислота выделяется, а средние углекислые соли кальция и магния оседают. Вода же с преобладающим содержанием сернокислых солей при кипячении не изменяется и для очистки ее приходится прибегать к действию реактивов (соды или хлористого бария). В настоящее время в практику красильного дела вошло несколько приемов очистки воды, непригодной для крашения, из которых наибольшее значение имеют методы Портера-Кларка, Беранже-Штингля и Галлье-Гюэ (см. Оглоблин, "Вода в красильном производстве", "Технический Сборник", 1891 г.)
Сточные воды красильных фабрик большею частью окрашены; помимо этого они почти всегда содержат много других, как минеральных, так и органических веществ. Эти воды с каждым годом все больше привлекают общественное внимание по степени того вреда, который они приносят окрестному населению. Это в особенности справедливо относительно красильных фабрик, расположенных на небольших речках, потому что вода в них от спуска сточных фабричных вод делается совершенно непригодной на протяжении многих верст как для питья, так и для большей части других применений. В большинстве европейских государств законоположениями воспрещается спуск сточных вод в реки без предварительного их обезвреживания, и нельзя сомневаться в своевременности такого законоположения и в России. Методы очистки сточных вод, вошедшие в практику, основаны большею частью на обработке их прибавкою к ним различных химических реагентов, напр., хлористого магния, хлористого кальция, кремнекислого и сернокислого глинозема и т. п. Обработанная этими реактивами В. процеживается через фильтр. Общего метода их очистки не существует, и для каждого частного случая должна быть выработана самостоятельная метода.
А. П. Лидов. ?.
VIII. Вода сточная. В местностях малонаселенных, сильно орошенных проточною водою и лишенных заводско-фабричной и скопленной городской деятельности, вопроса о сточных В. не может быть, потому что разнородные нечистоты и случайные, часто вредные подмеси В., всюду происходящие (напр., В. текущие из гор, проникнутых мышьяковыми колчеданами, содержащие мышьяк В., вытекающие из болот, из мест частого выгона скота и т. п., содержат продукты изменения органических веществ и т. д.), очищаются в природе естественным образом, как говорят ? сами собою. Деятелями при этом служат: преимущественно воздух (действует окислительно, напр., закись железа переходит в окись и осаждается), бактерии, всякие водяные организмы (развивающиеся в В. на счет органических ее подмесей и их разрушающие), горные породы (воздействуют на воду, напр., отнимают известковые и др. составные части, см. далее о геологическом действии воды), испарение углекислоты (осаждается средняя углеизвестковая соль из многих жестких вод, см. Туфы, Сталактиты, Известняки) и т. п. Во всяком случае несомненно, что текущие В. естественно очищаются "сами собою" и что то состояние проточной воды, в котором она встречается в природе, зависит не только от того, что она все вновь образуется из чистой атмосферной воды, но также и то, что многие подмеси, попадающие в воду, из нее успевают выделяться под влиянием условий течения. По этой причине ил, образующийся в воде, служит до некоторой степени указателем того, что выделяется в данном случае водою. Проникновение воды через почву, а особенно через луговую и вообще покрытую растительностью, действует в этом смысле как совершеннейший способ очищения: ядовитые или вообще нечистые воды, пройдя слой растительной земли в несколько футов, становятся обыкновенно вполне чистыми, даже прямо годными для человека. Это показывает и состав дренажных вод (см. Дренаж [подробности в исследовании 1882 г.: Lawes Gilbert and Warington, "On the amount a nd composition of the rain? and draiage-Water c. a. Rothamsted"]). Но процессы естественного освежения и очищения вредных вод идет лишь медленно и недостаточен в местах скопления людей, особенно в больших городах и около многих заводов, часто дающих массы нечистых вод, стекающих в реки и их загрязняющие до того, что воды рек, прикасающихся с ними, становятся заразными, вонючими, непригодными даже для мытья, не только для пищи, и убивающими рыб. Отсюда потребность в развитии водопроводов и водостоков, доставляющих возможно чистую воду и уводящих грязную из мест пользования жителями, и особая настоятельность вопроса о сточных водах для городов. Хотя ныне можно считать этот последний вопрос совершенно решенным по уже достигнутым опытным данным, но тем не менее практическое выполнение часто затруднено не только громадностью потребных для борьбы капиталов, но и недостатком некоторых облегчающих условий для осуществления, напр., как в Петербурге отсутствием естественных склонов почвы, облегчающих собирание сточных вод, близостью рек, которые трудно оградить от стока нечистот, и т. п., а потому вопрос о сточных водах имеет и поныне свойство живейших текущих и насущных вопросов. Не входя здесь ни в описание систем собирания сточных вод (это дело инженерное), ни в разбор гигиенических сведений, сюда относящихся, мы ограничимся указанием происхождения сточных вод и основных приемов борьбы с вредом, ими приносимыми.
Сточные воды городов и даже поселков, где много скотных дворов, неизбежно содержат массу отбросов и извержений и несомненно заражают текучие воды. Сущность дела при этом та же, какою она является по отношению к болотным водам, часто вытекающим в виде заражающего потока, который только вдали от болот, и то не всегда, становится безвредным для питья. Ныне не подлежит сомнению, что причину такого заражения сточных вод составляют болезнетворные микроорганизмы, находящиеся как в стоячей воде, настоявшейся на растениях, так и в сточных водах органический материал, им потребный для развития и размножения; как дрожжи не развиваются без сахаристой, азотистой и зольной пищи, им потребной, так всякие бактерии (см. Бактерии и Вода для питья), лишь попав в соответственную среду, дают от каждого невидимого зародыша целые колонии видимой плесени. Но сверх того необходимо допустить, что гниющие органические вещества, в стоячих болотах и нечистотах городов всегда находящиеся, способны образовать ядовитые неорганизованные продукты распадения (см. Птомаины), которые, попадая в воду, могут служит ко вреду потребителей такой воды. Задача сводится здесь не только на сторону отрицательную, т. е. на устранение причин (часто с трудом отвратимых) прямого зла заражения, но также и на другие важные положительные культурные стороны предмета. Важнее всего, чтобы зараженные воды, не попадая в потребление для людей, послужили бы косвенно для пользы. В людском потреблении, кроме В., преобладают продукты земледелия, особенно питательных веществ, и утрата происходящих из них отбросов составляет прямую потерю плодородия культурных почв, могущих давать хлеб и др. кормовые средства беспредельно долго только под условием возврата вывозимых с полей зольных и азотистых веществ. Задача техники сводится на то, чтобы успеть вернуть городские отбросы земледелию, потому именно, что истинную и высшую цель промышленно-технического совершенствования составляет не только улучшение условий общей жизни через переделку того, чем люди уже овладели, но и нахождение способов превратить все бросовое, ныне бесполезное или даже вредное ? в необходимое и потребное людям. Решение такой сложной задачи по отношению к сточным городским водам состоит или в прямом пользовании ими для удобрительного орошения лугов и полей, как то уже существует вокруг многих больших городов З. Европы (напр. Лондона и Парижа), или в превращении их в удобрительные вещества (см. Пудретты). Прямой опыт показал, что самые грязные сточные воды, например ватерклозетные, стойловые и т. п., не только могут давать твердые искусственные удобрения, особенно аммониакальные, но и прямо могут превращать бесплодные земли, соседние с городами, в цветущие источники производства питательных растений, то есть овощей и хлебов. Опыты подобного рода, производившиеся в 70-х годах в Петровском-Разумовском около Москвы по инициативе ее думы, при земледельческой академии, и анализы Григорьева, сделанные при производстве этих опытов, ясно показывают, что, несмотря на наши суровые зимы, тот же общий совершенно рациональный прием применим и к утилизированию на пользу подгородного земледелия сточных В. русских городов. Таким образом одну сторону тех социально-культурных недостатков, которые принадлежат скоплению людей в городах, уже можно считать вполне исправимою и только остается выполнять, усовершенствовать и доводить до явной экономической выгодности. В Голландии уже в действии (благодаря множеству каналов) система еще более совершенная и состоящая в развозке на далекие поля всех городских отбросов (собираемых или по способу Лирнура, или другими приемами) в герметически запертых резервуарах. Очевидно, что борьба с городскими отбросами, портящими текущие воды, началась и приведет к полной победе над этим злом.
Не менее городов дают вредных сточных вод многие промышленные предприятия. Особенно вредоносны для ближайших соседств два рода сточных вод: во-первых те, которые (как воды клееваренных, льномочильных и т. п. видов промышленной обработки) дают или прямые органические яды, или особо благоприятные условия для развития бактерий и, во-вторых, те, которые содержат минеральные ядовитые подмеси, напр., соли свинца, бария, мышьяка и т. п. Но сама промышленность изыскивает способы или обегать такие технические приемы, которые ведут к образованию подобных вод, или находить подходящие средства удержать их и поворотить на новую пользу. Так, например, весьма долгое время анилиновые краски (см. Деготь каменноугольный) готовились при посредстве мышьяковой кислоты, и в сточных водах заводов, их производящих, содержались отравляющие дозы (большие, чем в некоторых минеральных водах, наприм. в Ронченьо, около Венеции) мышьяковистой кислоты. Ныне это производство прямо избегает столь ядовитого препарата. Кроме того, во всех странах закон прямо воспрещает заводам спускать в текучие воды подобные ядовитые вещества и карает небрежность, потому что при помощи солей железа и действия воздуха и извести мышьяк может быть дочиста удален из воды, как он удаляется и в природе. Свободные щелочи и кислоты, очень часто встречающиеся в заводских сточных водах, должны быть нейтрализованы (см. Нейтрализация и Соли), и обыкновенно это обязательно исполняется заводами. Содовые остатки, составлявшие в былое время целые вонючие горы около содовых заводов (см. Содовое производство), дававшие ядовитые серные сточные воды и составлявшие истинное наказание для самих заводов и для окружающих жителей, ныне перестали образовываться около содовых заводов, потому что содовые остатки ими самими не без выгоды переделываются в серу. Воды, выкачиваемые из медных, свинцовых, железных и др. рудников, содержат соли названных металлов, а потому не должны быть допускаемы в реки, и их переработка в некоторых случаях дает даже прямые выгоды владельцам рудников, потому что достаточно извести для выделения окислов названных металлов из этих вод, а из медных вод вся медь осаждается железными обрезками. Многие воды заводов и копей (напр., угольных) содержат муть, от которой такие воды легко отделять отстаиванием или процеживанием через слой песка. Соленые воды многих заводов, напр., получающих хлор, соду, переделывающих селитру и т. п., часто вредны лишь в неразбавленном виде, а при разжижении в текущей воде только увеличивают ее жесткость (особенно MgCl 2 и СаСl 2 , часто выпускаемые заводами). Краут, исследуя сточные воды Стассфуртских заводов (см. Калий), показал сверх того с очевидностью, что при течении таких вод их жесткость убавляется под влиянием осаждения части извести и магнезии. Еще более заводских предприятий, дающих в сточных водах много органических (углеродистых) подмесей, напр., при промывке шерсти, при производстве сахара [напр. от промывки фильтр, эмоционные и диффузионные воды и т. п.], спирта, красок, бумаги, кож, костей [воды от мочки льна и пеньки и воды от промывки боен, кож, клея, кишок (для колбас) и т. п., т. е. от производств, прямо связанных с земледелием, относятся к числу наиболее вредоносных, а потому, по справедливости, заслуживают наиболее строгих законодательных мер, которые и существуют в отношении к ним] и т. п. Вещества эти, находящиеся в виде висящих осадков или в растворе, быстро загнивают и уже этим одним заражают свое соседство и его В., а потому множество таких заводов прямо запрещается [по ст. 408 Строительного устава России: "Заводы, вредные для чистоты воздуха, в городах и выше городов по течению рек строить не дозволяется", а по ст. 40 Устава о промышленности то же запрещение отнесено и к заводам, портящим воду] устраивать в городах и им обязательно заботиться об обезврежении сточных вод [определение общего содержания органических веществ в сточных водах производят, окисляя их смесью хромовой и серной кислот и взвешивая происходящую СО 3 ]. Для этого чаще всего прибегают к действию извести, железного купороса, серно-глиноземной соли или к другим веществам, переводящим часть органического вещества в осадок, завлекающий с собою все взмученные вещества, так что после процеживания через песок или иногда сверх того через уголь, получаются трудно загнивающие воды, сходные с обыкновенными в природе водами. Но и в таком случае, то есть после осаждения, лучше всего, если воды подобного рода разливаются на поля и луга, потому что они часто возвышают своими составными началами урожайность хлебов и трав. Так ныне уже часто поступают, напр., свеклосахарные заводы (см. Сахарное производство), дающие много промывных и др. грязных сточных вод. Вообще можно сказать, что путь орошения лугов и пашен (Berieselung) сточными водами всякого рода (городскими и заводскими) составляет единственное общее радикальное и, при простоте, верное средство сделать их не только безвредными, но даже полезными. Три препятствия встречаются по этому пути: дороговизна устройства такого орошения там, где нет к тому природных условий (склона местности для пользования канавами), обширность потребных полей и зимний период работ. Другое коренное же средство может составить испарение сточных вод на градирнях или другими подходящими способами (огневое испарение чересчур дорого и может годиться только для окончания или высушивания) с вывозом полученных продуктов на поля. И только при невозможности применения этих способов следует прибегать к осаждению и процеживанию как к паллиативным мерам. Не должно при сем забывать, что сами люди, само сельское хозяйство и даже во множестве случаев сама природа (напр., болота, некоторые горы) дают грязные и вредные сточные воды, а потому если заводы их производят, получая полезности, то этим они лишь подходят под общее начало всякой деятельности, которая имеет свои оборотные стороны. Борьба же с вредом сточных вод по мере развития просвещения и всех видов промышленности, как ныне уже очевидно, не только возможна, но и приводит, кроме прямой пользы, и к ряду косвенных выгод, потому что отбросы всякого рода пойдут на пользу самой развивающейся промышленности, которая может извлечь пользу из бесполезного и даже вредное повернуть на пользу.
Чтобы придать некоторую конкретность вышеуказанным общим замечаниям, приведем один частный и несколько общих численных примеров. Товарищество тверской мануфактуры (около полотна Николаевской жел. дор. подле Твери), имея около 6000 рабочих (не считая семейств), более 70 тыс. хлопкопрядильных веретен, около 300 ткацких станков, около 2 тыс. паровых сил двигателя, расходуя в год около 100 тыс. пуд. белильной извести для отбелки 70 тыс. кусков миткаля и потребляя ежедневно (беря из Волги по водопроводу) около 500 тыс. ведер воды ? очевидно, могло бы считаться источником сильного загрязнения окрестной В., если бы не принимало надлежащих средств для устранения зла, присущего скоплению массы дел и рабочих, получающих тут условия жизни, обеспеченной постоянным и верным заработком. Профессор В. В. Морковников в докладе московскому Имп. росс. техническому обществу (9 ноября 1885 г.) доставил материалы, показывающие принимаемые средства (а именно: вывоз извержений, обработка их известью по 250 пуд. в день, затем спуск в особые пруды для отстоя осадков, переливание каскадами для окисления и процеживания через песок) и достигаемые результаты. Они видны из прилагаемых анализов, где даны некоторые числа, характеризующие грязность вод, а именно: 1) речка Тьмака выше фабрики; 2) она же ниже на 320 саж. после сточной трубы; 3) она же после мельничной запруды, на расстоянии 1 версты от сточной заводской трубы, и 4) вода Волги, идущая на фабрику. Этих анализов достаточно, чтобы видеть, что принятые средства не портят В. речки более, чем все то, что помимо фабрики попадает в нее.
Граммов на куб. метр или миллиграммов на килограмм
1
2
3
4 Остатка выпаривания 100¦:
188
192
164
144 Остатка после прокаливания
118
111
114
112 Хлора
2
1
2
2 Азотного ангидрида N 2 O 5
4
7
3
4 Извести СаО
60
61
44
49 Требуется хамелеона K MnО 4 для окисления
85
85
101
62
Из сочинений Ko nig'a "Die Verunreinigung der Gewasser" (1887) è Jurisch (1890) приводим некоторые общие аналитические данные о составе (растворенных, а не взвешенных веществ) городских каналов, принимающих сточные воды.
В метре миллиграммов
Сухого остатка всего
Органических веществ
Извести
Азота в различн. форм. Среднее из 50 анализов В. английских городских каналов, принимающих всякие сточные В. (комиссия 1867-1874)
722
96?
?
77 2 анализа вод берлинских таких же каналов (Salkowsky, 1883)
850
292
107
87 Среднее из 50 анализов английск. город. каналов, в которые не поступают ватерклозетные В., а лишь уличные и т. п.
824
90?
?
165 Такой же канал в Halle (Ko nig)
3376
546
277
106
В указанных сочинениях, особенно в последнем (Jurisch), желающие найдут указания на полную литературу предмета "сточных вод", ныне занимающего внимание всех стран. К числу лучших современных сочинений, в которых рассмотрены многие вопросы, касающиеся практического пользования водою, должно отнести соч. F. Fischer'a: "Das Wasser, seine Verwendung, Reinigung und Beurtheilung etc." (Берл, 1891). В статье Словаря Дезинфекция будут рассмотрены и те прямые средства борьбы, которые доныне применяются с большим или меньшим успехом.
Д. Менделеев.
Вода в почве. ? В верхние обрабатываемые слои почвы, на которых разводятся культивируемые растения, капельножидкая В. поступает сверху и снизу. После дождя В., накопляясь на поверхности почвы, вследствие своей тяжести начинает проникать сверху вглубь по скважинам между частицами с различною скоростью: более быстро по крупным, представляющимся в виде щелей, и сравнительно медленнее по мелким, или волосным, задерживающим в себе воду. Точно так же В., идущая снизу, или поднимается вверх вследствие волосности по узким скважинам ? это волосная, или капиллярная вода, содержащаяся в почве в большем или меньшем количестве, смотря по влагоемкости (см. это сл.) последней ? или же двигается в том же направлении по широким скважинам от давления снизу и стремления подняться на высоту, с какой она притекает в нижние слои почвы (по закону об уровнях жидкости в сообщающихся сосудах). Такую воду называют гидростатической, нажимной или грунтовой. Может случиться, что гидростатическая В., поднявшись на известную высоту, далее двигается уже как капиллярная. Кроме этой воды, имеющей главное значение для растительности, встречается в почве гигроскопическая вода, образующаяся от сгущения водяных паров, поглощенных частицами почвы из воздуха, на поверхности этих частиц. В. в почве находится в постоянном, хотя и медленном, движении, происходящем более от гидростатического давления, чем волосности. Чтобы пройти насквозь слой почвы толщиною в 1 / 2 дюйма, гидростатическая вода должна иногда употребить несколько суток. Но еще медленнее движение капиллярной воды, скорость которого зависит от ширины волосных скважин, весьма различной в различных почвах, причем чем выше поднимается эта вода, тем менее быстро ее движение, как видно из следующих данных, приводимых Габерландом:
высота подъема воды в почвах, миллиметры:
Мелкий третичный песок
Суглинист. мергель
Базальт
Гранит
Суглинок
Песчано-торфяная почва
Глина через 1 / 2 часа
215
140
95
70
200
110
3 через 4 1 / 2 часа
300
230
130
105
250
165
6 через 1 день
440
450
310
260
385
810
35 через 2 дня
460
510
350
320
430
350
50 через 4 дня
480
570
390
370
480
400
70 через 8 дней
510
620
455
450
628
440
110 через 16 дней
565
690
544
543
580
475
180 через 32 дня
610
755
655
655
648
608
265
1) Хотя уже эти цифры показывают, что высота подъема воды в течение определенного времени, а, следовательно, и ширина волосных скважин в различных почвах различны, ширина же эта зависит от большей или меньшей крупности почвенных частиц, но справедливость последнего заключения наглядно подтверждается следующими показаниями о высоте подъема воды в одной и той же почве, просеянной сквозь сита различных номеров:
через
часы
дни
1 / 4
1
4
8
1
6
12
24
84
143
203 В земле
Вода поднялась на высоту в миллиметрах грубой
44
66
90
125
141
172
88
217
272
310
327 средней тонкости
68
86
111
144
159
190
207
240
318
365
887 тонкой
88
158
266
403
456
550
598
639
792
895
940
2) В плотно утрамбованной почве вода поднимается выше, чем в рыхлой. Этим объясняется применение на практике некоторых приемов обработки почвы. Если разрыхлить сырую почву, то вначале вследствие увеличения испаряющей поверхности испарение увеличивается, но через несколько дней наступает обратное действие: так как капиллярная проводимость верхнего почвенного слоя в известной степени разрушена от разрыхления, поэтому испарение значительно замедляется и ближайшие, глубже лежащие слои почвы становятся более сырыми. Уплотнение почвы, напр., укатыванием ее катком, может много помочь уменьшению влаги в нижних слоях: оно способствует увеличению капиллярных скважин в верхнем слое через обращение в них широких пустот, отчего капиллярная проводимость усиливается и почва скорее высыхает. 3) Чем суше почва, тем медленнее поднимается в ней вода. Это происходит от того, что а) между сухими частицами почвы находится более воздуха, который должен быть вытеснен поднимающеюся водою, и б) совершенно сухие почвы большею частью труднее смачиваются, нежели те, поверхность которых уже покрыта тонкою водяной оболочкой. 4) При просачивании воды вследствие собственной тяжести на прохождение ею в определенный промежуток времени слоя известной толщины влияют, главнейшим образом, механическое строение почвы ? рыхлость ее и величина гидростатического давления. 5) Водозадерживающая способность почв определяется потерею воды насыщенною ею почвою в течение известного промежутка времени (четырех часов по Шюблеру) при обыкновенной комнатной температуре 15¦Р. Этою способностью в наибольшей степени обладает перегной ? 20,5%; затем следуют: серая глина ? 31,9%, суглинок ? 45,7%, супесок ? 52,0%, гипс ? 71,7%, известковый песок ? 75,9% и кварцевый песок ? 88,4%. Для сельского и лесного хозяина весьма важно знать, какое содержание воды в почве наилучшим образом соответствует потребностям растений. При постоянном полном насыщении почвы водою ? 100% ? рост на ней культурных растений невозможен ? доступ воздуха к корням не имеет места. Эти же растения при 80% влаги растут, по исследованиям Гельригеля, лучше, чем на сухой почве, отличаются боле быстрым ростом и развитием ветвей (кустистостью) и листьев, причем цвет последних бывает более яркий. Такое состояние почвы не представляет наиболее благоприятных условий для развития растений: урожай получается ниже, чем при несколько меньшем содержании влаги, от избытка которой особенно страдает у хлебных злаковых растений развитие зерна ? средний вес его бывает неудовлетворителен, и отношение этого веса к весу соломы менее благоприятно. Хвойные деревья, произрастающие на таких почвах, отличаются низким приземистым ростом и чрезвычайною тонкостью годичных слоев ? часто в 80-100-летнем возрасте стволы их бывают не толще 1-1 1 / 2 дюймов, у лиственных же хотя рост в толщину и увеличивается, но образующаяся широкослойная древесина имеет низкие технические качества, как напр., у ольсового дуба. Противоположная крайность ? недостаток влаги в почве ? тоже вредно отражается на произрастании растений: при 5% содержании воды в почве растения не могут расти, и даже при 10-20% они еще страдают от относительной скудности влаги. Вообще, если влажность почвы понижается за предел 1 / 3 ее влагоемкости, то получаются в хозяйстве неудовлетворительные результаты. По исследованиям профессора Р. Гейнриха, сельскохозяйственные растения, достигшие уже известной степени развития (незадолго перед цветением), начинают увядать при следующем % влаги от веса почвы:
на почвах:
Гигроскопичность
Картофель
Кукуруза
Овес
Сахарн. горох
Люцерна
Рожь Известковой
52,00
5,34
8,59
9,17
9,61
9,77
10,56 Торфяной
42,90
70,80
"
49,70
"
51,80
53,40 на почвах:
Гигроскопичность
Эспарцет
Ячмень
Красн. клевер
Конск. бобы
Среднее для
Злак.
Бобов Известковой
52,00
11,01
11,09
11,46
12,04
9,85
10,95 Торфяной
42,90
54,60
47,70
52,20
"
50,79
52,87
Таким образом minimum'ы почвенной влаги для различных растений мало различаются между собою, но у различных почв они далеко не одинаковы, увеличиваясь с увеличением гигроскопичности последних, как это видно из результатов исследований Гельригеля над овсом и кукурузой.
на почвах:
Крупнозернистой песчаной
Песчаной садовой земле
Мелкозерн. перегнойной
Песчаном суглинке
Известковой
Торфяной 100 частей (по весу) сухой почвы поглощают maximum частей воды
1,15
3,00
3,98
5,74
5,90
42,30 Растения увядали при содержании в 100 частях почвы следующего количества воды
1,5
4,6
6,2
7,8
9,8
49,7
Наиболее благоприятны для развития большей части растений почвы, содержащие 40-60% влаги, а для некоторых даже 30-70%. В практике принято различать по содержанию воды несколько видов почв; так, почву называют: а) совершенно сухою или очень сухою, если она при светлой обыкновенно окраске, легко растираясь в мелкий порошок, дает пыль и содержит не более 1% воды; б) сухою, которая не пылится и не обнаруживает на ощупь присутствие влаги, хотя последней (некапиллярной воды) и заключается в ней более 1% и до 10-15%; в) свежею, влажною или потною ? в которой содержание воды, отчасти капиллярной, свыше 10% и до 25-30% легко узнается: при сдавливании между пальцами остаются на них следы влажности; г) сырою, когда в ней от 30% до 50% влаги, выделяющейся в виде капель при сжатии почвы в руке, и, наконец, д) мокрою ? изобилующую водою, содержащеюся в некапиллярных пустотах между частицами почвы и легко выпускаемою даже без постороннего давления. В почвах, находящихся в хозяйственном пользовании, неблагоприятное влияние избытка или недостатка почвенной влаги на растительность устраняется надлежащим регулированием ее помощью осушек, дренажа и орошения, или ирригации, причем к лесным почвам исключительно применяется одна только осушка. Надо заметить, что лесные деревья вследствие развития их корней в глубь почвы на значительную глубину, откуда они могут извлекать влагу, образования на поверхности почвы, где они растут, более или менее толстого слоя лесной подстилки из опавших листьев и хвои, отличающегося большою влагоемкостью, и значительной испаряющей поверхности их листьев легче примиряются с крайностями содержания влаги в почве. Оттого они часто успешно произрастают на таких почвах, на которых рост сельскохозяйственных растений бывает неудовлетворителен или даже совершенно невозможен, как напр., сосна на сыпучем рыхлом, сухом песке и моховых болотах, или черная ольха и некоторые виды ивы на травянистых болотах, так называемых "ольховых трясинах".
В отношении обработки почвы различают три состояния почвы по степени влажности: влажное, при котором почва, хотя и может обрабатываться, но получаются плохие результаты; средневлажное или среднесухое , какова хорошо обсохшая почва, получающая при обработке вполне пригодное для возделывания растений состояние, и, наконец, сухое, когда вследствие недостатка влаги плотные почвы становятся слишком твердыми, а рыхлые излишне мягкими для обработки. Во влажном состоянии могут обрабатываться плугом с рыхлящим отвалом, особенно под зиму, рыхлые почвы, бедные содержанием перегноя, хотя на это и требуется большая затрата рабочей силы. Такая же вспашка плотных почв невозможна вследствие большой связности между их частицами, а при действии плуга с оборачивающим пласт отвалом ? крайне затруднительна и выполнима только под зиму, когда плотные пласты вспашки могут измельчаться от действия мороза. Точно так же и почвы средней плотности лучше не пахать в этом состоянии; но вспашка мелкая для взмета жнивья или разрыхление верхнего уплотнившегося слоя ? может иметь место. Работа бороны и катка не должна быть применяема, так как первая на таких почвах не разбивает комья и глыбы, а, наоборот, сбивает маленькие комочки в большие, укатывание же особенно вредно при таком состоянии на плотных, вязких почвах. В сухом состоянии вспашка рыхлых почв плугом с рыхлящим отвалом вредно увеличивает их сухость и рыхлость, плотных почв невозможна вследствие большой связности их частиц, а почв средней плотности должна быть производима с известною осторожностью ? уменьшением крутизны плугового отвала и быстроты движения плуга, отчего невыгодно замедляется сама вспашка. Работа экстирпатора или груббера и бороны на вязкой плотной почве при таком ее состоянии невозможна, на рыхлой же экстирпатор может привести почву в нежелательное порошкообразное состояние. Зато прикатывание плотных почв является весьма полезною мерою, причем необходимо бывает заменять катки глыбодробами.
Если содержание влаги в почве влияет на развитие произрастающих на ней растений, то вместе с тем и самые растения, образующие почвенный покров или вообще растущие на данной почве, обнаруживают существенное влияние на ее влажность. Проф. Вольни, занимавшийся выяснением этого вопроса, пришел к следующему заключению: 1) содержание воды в почве, покрытой живыми растениями, во все время вегетации бывает меньше, чем в таком же слое открытой почвы или остающейся под паром; это замечается не только в верхнем, но и в других слоях. 2) Густо растущие травы представляют наибольшее препятствие нагреванию почвы солнечными лучами и вместе с тем наиболее иссушают почву. За ними следуют широколистные бобовые, рапс, горох, вика, овес, пшеница, ячмень, рожь и, наконец, плугопольные, под которыми почва обрабатывается во время их роста. 3) Так как озимая рожь требует для своего развития меньшей почвенной влаги, чем яровая, то отсюда Вольни делает вывод, что озимые сорта хлебных растений менее иссушают почву, чем яровые. 4) Причина высушивания почвы растущими на ней растениями заключается в испарении влаги надземными их частями. Исследования показывают, что на производство единицы веса сухого вещества расходуется весовых единиц воды:
по Вольни
по Гельзингелю
по Гельpигелю (среднее за 6 лет) Маисом
233
"
" Полевым бобом
"
262
" Горохом
416
292
273 Просом
447
"
" Подсолнечником
490
"
" Гречихой
646
371
363 Овсом
665
402
376 Ячменем
774
310
282 Клевером
"
333
310 Кормовой репой
"
337
" Яровой пшеницей
"
359
338 Лупином
"
373
" Яровой рожью
"
377
853 Горчицей
843
"
" Рапсом
912
"
329
Отсюда видно, что бобовые растения расходуют немного больше хлебных злаков и что вообще разница в количестве воды, расходуемой различными растениями, не настолько значительна, как бы можно ожидать, судя по их наружному виду. Фон Генель сообщает интересные данные о расходе воды из почвы лесными деревьями, по которым оказывается, что 100 граммов высушенных на воздухе древесных листьев, находясь на дереве в период вегетации, с апреля до конца октября, испаряют ежедневно средним числом граммов: ясень ? 400, береза ? 380, бук ? 350, граб ? 340, ильм ? 308, дуб ? 255, остролистный клен ? 248, ель ? 63, сосна ? 44, пихта ? 34 и австрийская сосна ? 31. На основании этих показаний вычислено, что растущая на свободе береза (с 200000 листьев) ежедневно расходует из почвы 38 литров воды, 115-летний бук ? около 50 литров, а гектар букового насаждения того же возраста в период вегетации ? около 40000 гектолитров, что приблизительно соответствует половинному количеству ежегодно ниспадающей в Германии атмосферной влаги. Эти же цифры наглядно объясняют, отчего сосна может расти на сухих почвах, а ясень только на влажных, и почему одни древесные породы более требовательны в отношении влаги, чем другие. 5) С увеличением содержания воды в почве увеличивается расход почвенной влаги растениями. 6) В середине вегетации испарение сильнее, чем в начале и конце. 7) Потребление почвенной влаги тем значительнее, чем гуще расположены растения на данной площади, чем пышнее они развились и чем раньше произведен посев растений. 8) На обильно удобренной почве листовые органы растений развиваются сильнее, а потому испарение увеличивается и высыхание такой почвы идет быстрее и сильнее, чем тощей, не удобренной. 9) Чем сильнее солнечное освещение, тем меньше расход почвенной воды на производство веса единицы сухого вещества; так, напр., у ячменя (по Гельригелю) расходуется при полном солнечном освещении 360, а при закрытии его экраном ? от 498 до 609. 10) Покрытие поверхности почвы настилкой из мертвых растений, напр., скошенных, опавших листьев и хвои, навоза, соломы, кусков дерева, стружек, опилок и т. п., защищает почву от испарения и тем увеличивает содержание в ней влаги, и потому чем толще, до известного предела (5 сант.), слой настилки, тем влажнее бывает почва. 11) Те же обстоятельства влияют на количество атмосферных осадков, просачивающихся в глубь почвы: а) на не покрытой живыми растениями почве просачивается гораздо больше, чем на покрытой; б) если поверхность почвы защищена настилкой, то просачивание бывает значительнее, чем на почве под паром; в) просачивание воды в почву уменьшается сообразно с тем, чем гуще расположены растения, чем крупнее смена, из которых они развились, чем раньше произведен посев и чем больше удобрена почва; на скошенном лугу просачивание сильнее, чем оно было до покоса.
Литература: Hellriegel, "Beitrage zu den naturwissenschaftlichen Grundlagen des Ackerbaues" (1883); W. Riegler, "Beobachtungen uber die Bodenfeuchtigkeit unter verschiedenen Bedeckungen"; von Hoehnel, "Untersuchungen uber den Wasserverbrauch der Holzgewachse mit Beziehung auf die meteorologischen Faktoren"; "Mitteilungen aus dem forstlichen Versuchswesen Oesterreichs" (Band II, Hefte I und III); "Wollny's Forschungen auf dem Gebiete der Agriculturphysik" (Band IV, Heft V); Ebermayer, "Studien uber das Wasserbedurfniss der Waldbaum e" (в "Supplemente zur Allgemeinen Forst? und Jagdzeitung" (Band XII); "Biedermann's Central Blatt fu r Agricultur Chemie" (IX Heft, 1889).
В. С.
IX. Вода как геологический деятель. Лишь только температура поверхности земной коры понизилась настолько, что вода из парообразного перешла частью в жидкое состояние, началась ее геологическая деятельность и продолжается непрерывно, в самых обширных размерах, до настоящего времени. Деятельность эта обусловливается как физическими и химическими свойствами воды, так и ее громадной массой. Вес воды только в морях и океанах составляет 1 / 24000 веса всего земного шара, а объем, по Гохштеттеру, достигает 3400000 куб. миль, не считая громадного количества воды, постоянно циркулирующей на поверхности и внутри земной коры. Выпадая на землю в виде атмосферных осадков, В. производит разнообразные химические изменения, громадную механическую работу и снова испаряется. Гохштеттер исчисляет, что полный круговорот всего количества воды, находящейся в океанах, возможен в 1133 года. Попав на поверхность земли, часть воды испаряется с нее немедленно, часть проникает в почву и далее в недра земной коры по трещинам и порам горных пород, и, наконец, часть стекает по земной поверхности с мест возвышенных в более низкие, образуя ручьи, реки, озера, моря и океаны. Вообще, геологическая деятельность воды двоякая: химическая и механическая. Вода, проникающая в глубь земли, циркулируя через массу горных пород, которые все в большей или меньшей степени водопроницаемы, производит в них целый ряд химических изменений. Крупные размеры этих изменений объясняются тем обстоятельством, что хотя не многие составные части горных пород поддаются растворяющему действию чистой воды, но почти все минералы вступают в обменное разложение или даже непосредственно извлекаются из пород водой, содержащей в растворе углекислоту, кислород и другие химические соединения, которые подземные воды захватывают частью из атмосферы, частью из почвенного слоя. Растворяя или, как говорят, выщелачивая некоторые составные части горных пород, вода переносит их в растворе далее, они приходят в соприкосновение с минералами иного химического состава; между теми и другими происходит взаимный обмен веществ, и образуются новые минералы. Происходящие при этом процессы, известные в геологии под именем видоизменения, или метаморфизма, горных пород, продолжаясь непрерывно в течение долгих геологических периодов с момента образования пород, в некоторых случаях совершенно изменили первоначальный их минералогический состав и структуру, дав начало обширной группе пород метаморфических; в других случаях изменения коснулись лишь отдельных минералов, на месте которых образовались вторичные минералы и псевдоморфозы (см. это сл.). Как результат той же химической деятельности подземных вод, громадные толщи горных пород, наиболее легко растворимых, с течением времени выносятся водой, а на их месте образуются пустоты в виде трещин и пещер. Разрастание этих пустот идет до известных пределов, за которыми следуют обвалы вышележащих пород (см. Обвалы). Обвалы вызывают сотрясение соседних участков земной коры, а если пустоты лежат недалеко от земной поверхности, то образуются и провалы. Работа, производимая обвалами, теоретически настолько значительна, что Мор считает ее достаточной для объяснения всех проявлений вулканической деятельности. С другой стороны, подземные воды, встречая уже готовые пустоты в земной коре, стремятся их заполнить, отлагая часть переносимых в растворе химических соединений в виде сталактитов, сталагмитов, жеодов, миндалин, жил, штоков и залежей (см. эти слова). Совершив свою разнообразную работу, большая часть подземных вод при благоприятных условиях соединяется в целые струи и выходит на земную поверхность в виде ключей и источников. Здесь вследствие резкого изменения давления и соприкосновения с атмосферой большая часть растворенных в воде солей выпадает в виде осадков ? туфов (см. Туфы, Источники минеральные), остальная уносится наземными водами в моря и океаны. Некоторая часть подземных вод, проникшая наиболее глубоко в недра земли, возвращается, однако, на земную поверхность иным путем, а именно в виде пара при вулканических извержениях; весь механизм доставления на земную поверхность расплавленных масс при извержениях ставится большинством современных ученых в зависимость от присутствия в этих массах паров воды (см. Вулканизм).
Воды, текущие по земной поверхности, производят также двоякого рода работу ? химическую и механическую; но в противоположность подземным водам механическая деятельность здесь преобладает. Под влиянием процессов выветривания (см. это сл.), в которых химическая и механическая деятельность воды играет существенную роль, верхние слои горных пород, непосредственно подвергающиеся действию атмосферы и атмосферных осадков, являются разрыхленными, сильно измененными и представляют вполне подготовленный материал для механической деятельности наземных вод, выражающейся размыванием (см. это слово) поверхностных горных пород, перенесением размытых частиц и отложением их в другом месте в измельченном, измененном виде в форме слоистых осадков. Не только широкие речные долины, глубокие ущелья и овраги являются продуктами размывающей деятельности наземных, текущих вод, но и вся земная поверхность носит ясные следы той же деятельности. Каждая струйка дождевой или снеговой воды захватывает в своем течении частицы поверхностных горных пород, и как ни мелки эти частицы, как ни ничтожно их количество в каждой струйке ? этим путем в течение многих тысячелетий геологической деятельности воды смыты целые горные хребты и отложены на большей части поверхности земного шара толщи глин, песков и других слоистых пород в несколько тысяч метров мощностью. Скопляясь на земной поверхности при известных условиях в форме льда (см. Ледники), вода и в этом виде производит на земле громадную механическую работу, сглаживая и отполировывая при своем движении твердые скалы, истирая более мягкие породы и перенося на сотни верст в виде крупных обломков валунов и мельчайшей ледниковой пыли. Деятельность ледяных масс в настоящее время мало заметна, но в предшествовавшую геологическую эпоху она проявлялась на весьма обширном пространстве, и, как полагают, большая часть рыхлых поверхностных пород Европ. России (см. Ледниковые отложения) обязана своим происхождением деятельности ледников.
Таким образом геологическая деятельность воды носит двоякий характер. В глубине земной коры вода играет ту же роль, как кровь в организме, содействуя обмену веществ и постоянному изменению горных пород, которое многие не без основания считают их жизнью. Сущность деятельности наземных вод заключается, напротив, в разрушении и размывании горных пород. Вода при этом стремится сгладить все неровности земной поверхности, обязанные своим происхождением другим двум важным геологическим факторам: вулканизму и дислокационным процессам.
Б. Поленов .