Значение водорода и воды в природе и сельском хозяйстве

Термоядерный источник энергии. Реакция термоядерного синтеза — соединения четырех ядер водорода в ядро гелия, происходящая в глубине Солнца, является неисчерпаемым и единственным источником энергии для большинства природных процессов. Энергия Солнца согревает Землю, движет воздушные массы атмосферы и водные массы рек, океанов и морей, обеспечивает процесс фотосинтеза в зеленых растениях и в конечном счете является главным условием существования жизни.

Гидросфера и климат. Вода — одно из самых распространенных химических соединений на Земле. Общая масса воды на поверхности Земли превышает 10¹⁸ т. Вода покрывает 71% земной поверхности и образует особую земную оболочку — гидросферу. Наличие гидросферы радикально отличает нашу планету от других планет Солнечной системы.

Гидросфера играет важную роль в формировании климата на Земле. Благодаря высоким значениям теплоемкости воды [С°_р = 75,3 Дж/(моль*К) при 20°С], ее теплот плавления (АЯ,°_1Л = 5,99 кДж/моль), испарения и конденсации (ДЯ°_СП = = 44,2 кДж/моль при 20°С) океаны, моря, озера и крупные водохранилища служат аккумуляторами теплоты в теплые периоды и источниками теплоты в холодные. Мировой океан, таким образом, уменьшает сезонные разности температур и смягчает климат Земли в целом. Сглаживание сезонных температур сильнее проявляется в приморских районах. Микроклимат существует даже вблизи малых водоемов.

Круговорот воды в природе. Несмотря на то что общая масса воды на Земле огромна, доля пресной воды составляет всего лишь 2%. Причем основная масса пресных вод (80%) недоступна, поскольку она сосредоточена в ледниках. Доступной для использования вода становится благодаря круговороту воды в природе, который заключается в испарении воды с поверхности Мирового океана (4,3−10^й т) и суши (7−10¹³ т), переносе водяного пара в атмосфере, его конденсации, выпадении осадков на моря (3,9 * 10¹⁴ т) и на сушу.

(1,1 • 10^м т), инфильтрации части воды под землю, поверхностном и подземном стоке воды в моря и океаны. Человечество может использовать, главным образом, только ту пресную воду, которая стекает в моря и океаны (поверхностный сток). Масса поверхностного стока оценивается в 4 • 10¹³ т.

Роль воды в миграции химических элементов. Вода участвует как в процессах концентрации, так и в процессах рассеяния химических элементов. Реки вызывают эрозию горных пород и минералов. Потоки воды (ручьи, реки, морские течения) переносят огромные массы неорганических и органических веществ. Атмосферные осадки смывают продукты эрозии почв, удобрения, органические вещества почвы. Грунтовые и подземные воды переносят большие количества растворимых солей. Из глубинных горячих вод (гидротерм) образовались промышленные залежи полезных ископаемых. С атмосферными осадками на сушу выпадают минеральные соли и пыль, перенесенные ветрами с огромных расстояний.

Вода — один из главных факторов метаморфизма, изменения минеральных и почвенных покровов земли. Вода, которая содержит катионы Н₃0⁺, образующиеся при диссоциации угольной и других кислот, участвует в превращении первичных изверженных пород литосферы во вторичные, в частности в глинистые, почвообразующие.

Природные воды. В природе вода всегда содержит растворенные соли и газы, коллоидные частицы и микроорганизмы. Главными ионами природных вод являются катионы кальция Са²⁺, магния Mg²⁺, натрия Na⁺, калия К⁺, хлоридионы С1, сульфат-ионы SO² и гидрокарбонат-ионы IICO3. Сульфат-ионы, катионы кальция и магния сообщают воде горький вкус, хлорид-ионы — соленый. Вода считается пресной, если суммарное содержание солей (минерализация) не превышает 1 г/л.

Содержание того или иного иона в природных водах отличается в разных водоемах. Ионный состав природных вод зависит главным образом от трех факторов: химического состава атмосферных осадков, природы окружающих данный водоем горных пород и деятельности человека. Атмосферные осадки, сформированные над морями и океанами, могут переносить в водоемы мельчайшие капли соленой морской воды, содержащей в основном хлорид-ионы и катионы натрия. Просочившиеся под землю воды, содержащие растворенный углекислый газ, взаимодействуют с карбонатными горными породами (известняк, доломит), обогащаются гидрокарбонатами кальция и магния, а затем приносят их в реки и озера. Для борьбы с гололедицей проезжую часть дорог обрабатывают хлоридами натрия и кальция, эти соли также попадают в природные воды.

Чтобы природные воды можно было использовать в качестве технической и питьевой воды, их подвергают специальной обработке, которую называют водоподготовкой. В зависимости от требований потребителя водоподготовка может включать в себя удаление крупных частиц и примесей, обусловливающих ее цветность (осветление), уничтожение болезнетворных микробов и вирусов (обеззараживание), удаление из воды катионов кальция и магния (умягчение), удаление растворенных в воде газов (0₂, С0₂, H₂S), которые могут быть причиной повышенной коррозионной активности технической воды (дегазация).

Водопотребление. При использовании воды различают многократное (с возвращением забранной воды в источник) и безвозвратное водопотребление. В мире за год безвозвратно расходуется примерно 3−10¹² т (в странах СНГ около 1,5* 10¹¹ т). На долю сельского хозяйства приходится 82%, на долю промышленности — 8% и на потребление в бытовых целях — 10% безвозвратно расходуемой пресной воды. В сельском хозяйстве вода используется в основном для ирригации. Воду, расходуемую в промышленности, называют технической. Свыше 85% технической воды используют в процессах охлаждения как хладагент, при этом вода лишь нагревается и практически не загрязняется. Остальная часть расходуется для мойки, гидротранспорта, промывки газов и в качестве растворителя.

Наша страна располагает богатейшими водными ресурсами. Одно только озеро Байкал содержит 20% мирового запаса пресных вод. Однако распределение источников пресной воды, но территории страны очень неравномерно. В хозяйственно освоенных регионах водные ресурсы ограничены, что делает необходимым их рачительное и бережное использование.

Водород и вода в биосфере. Биосфера — огромный резервуар химически связанного водорода. Водород входит в состав всех биологически активных веществ: белков, жиров, углеводов. Способность к образованию водородной связи обусловливает такие важные свойства живого вещества, как структура белков и полисахаридов, активность ферментов, природа генетического кода, сокращение мышц, вкусовые ощущения.

Содержание воды в растительных и животных организмах.

Живое вещество биосферы в значительной степени состоит из воды (табл. 14.3).

Биосфера — самый активный химический фактор на поверхности Земли. Эта роль принадлежит ей, в частности, благодаря исключительной реакционной способности водородсодержащих биологически активных соединений в воде. Вода, являясь внутриклеточной средой, обеспечивает быстрое протекание биохимических реакций в растворах. Недостаток или избыток воды во многом определяет условия существования естественных и сельскохозяйственных биоценозов. Регионы с обильными и скудными выпаданиями атмосферных осадков различаются климатическими условиями для пастбищного скотоводства, возделывания сельскохозяйственных культур. Поэтому большую роль играют работы по орошению засушливых земель и осушению избыточно увлажненных земель. Правильное землепользование предполагает оптимальное обеспечение водой не только сельскохозяйственных угодий, но и лесов, заболоченных мест, ручьев, рек.

С индустриализацией сельского хозяйства в этой отрасли производства возникает проблема сточных вод. Решение ее возможно только при комплексном и рациональном использовании всех продуктов аграрного сектора экономики.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Какие химические свойства водорода позволяют относить его и к 1-й, и к 17-й группам периодической системы?
• 2. Пользуясь представлениями методов валентных связей и молекулярных орбиталей, объясните, почему молекула водорода состоит из двух атомов, а не из трех.
• 3. Какие физические и химические свойства воды делают возможным существование рыб и водорослей?
• 4. Вычислите pH растворов хлороводородной и уксусной кислот, концентрации которых равны 0,1 моль/л.