Вода диссоциирует на ионы по уравнению
По действующих масс закону :
где с - молярные концентрации, а К- постоянная при данной температуре величина (1,8·10 -16 г-ион/лпри 22 °С). В 1 л воды содержится
(количество диссоциировавших молекул настолько мало, что его можно не учитывать). Поэтому
Константу К Вназывают ионным произведением воды. Поскольку в чистой воде (и в любой нейтральной среде)
то
При добавлении к воде кислот c H +возрастает, а pH соответственно уменьшается. Так, для 0,01 молярного (М) раствора HCl концентрация c H += 10 -2и pH = -lg c H += 2. Наоборот, при добавлении щелочей возрастает c OH -; тогда
уменьшается и соответственно возрастает pH.
Например, в 0,01 М растворе NaOH c OH -= 10 -2. Это значит, что
и pH = 12.
Для точных определений pH используют преимущественно методы потенциометрии (см. Электрохимические методы анализа ). При определениях, не требующих высокой точности, pH измеряют б. ч. с помощью набора индикаторов, меняющих свою окраску каждый при определённом pH. Шкала pH обычно используется для растворов, имеющих концентрации ионов водорода от 1 г-ион/ли меньше.
Нейтральным водным растворам отвечает pH = 7 лишь при комнатных температурах. При повышении температуры диссоциация воды усиливается, K Bвозрастает, и при 100 °С чистая вода имеет pH » 6. При температурах ниже 22 °С в чистой воде pH > 7. При этом во всех случаях в нейтральной среде c H += c OH -.
Лит.:Киреев В. А., Краткий курс физической химии, 4 изд., М., 1969.
В. Л. Василевский.
Водородный термометр
Водоро'дный термо'метр,см. Газовый термометр .
Водородный электрод
Водоро'дный электро'д,платиновая пластинка, электролитически покрытая платиновой чернью, погружённая в раствор кислоты с определённой концентрацией ионов водорода Н +и омываемая током газообразного водорода. Потенциал В. э. возникает за счёт обратимо протекающей реакции
Между водородом, адсорбированным платиновой чернью, и ионами водорода в растворе устанавливается равновесие. Потенциал электрода Еопределяется уравнением Нернста:
где Т -абсолютная температура (К), а Н +- активная концентрация ионов водорода ( г-ион/л), р -давление водорода [ кгс/см 2( атм)], Е° -нормальный (или стандартный) потенциал В. э. при р = 1 кгс/см 2(1 атм) и a H += 1. При любой заданной температуре Е°условно принято считать равным нулю. От потенциала стандартного В. э. отсчитывают потенциалы всех других электродов (так называемая водородная шкала потенциалов). При работе с В. э. необходима тщательная очистка водорода от примесей. Особенно опасны соединения серы и мышьяка, а также кислород, реагирующий с водородом на поверхности платины с образованием воды, что приводит к нарушению равновесия
В. э. применяют как электрод сравнения .
Рисунок к ст. Водородный электрод.
Водородоподобные атомы
Водородоподо'бные а'томы,атомы, состоящие, подобно атому водорода, из ядра и одного электрона. Такими являются ионизованные атомы, потерявшие все электроны, кроме одного, например Не +, Li 2+, В 3+и т.д. В. а. обладают сходными с водородом оптическими свойствами (см. Атом ). В физике полупроводников В. а. называют примесные атомы, у которых валентность на 1 больше или меньше, чем у основных атомов.
Водоросли
Во'доросли(Algae), группа низших, автотрофных, обычно водных, растений; содержат хлорофилл и другие пигменты и вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза . Цветков и семян нет. Споры, как правило, лишены твёрдой оболочки. Тело В. (слоевище, или таллом) по своему строению проще, чем у мхов, папоротников и других наземных растений; часто отсутствует дифференциация клеток на ткани; у самых примитивных В. (синезелёных) клетки лишены оформленных ядер и хроматофоров ; у части В. в клетках содержится помногу ядер; есть В. неклеточного строения (ботридиум, сифоновые). Хроматофоры у В. бывают пластинчатые, звездчатые, лентовидные, сетчатые, мелкие дисковидные (последние характерны для высших представителей ряда типов В.). У многих В. имеются плотные образования - пиреноиды и пиреноидообразные тельца; у высших В. (почти всех бурых и большинства красных) они отсутствуют. Клеточные оболочки состоят из целлюлозы, пектиновых веществ, кремнийорганических соединений (диатомовые), альгина и фуцина (бурые). Запасные вещества: крахмал, гликоген, полисахариды, реже масло. Насчитывается около 30 тыс. видов В. На основании различий в наборе пигментов, особенностей морфологии и биохимии (состав клеточных оболочек, запасные вещества) различают 10 типов (отделов) В.: синезелёные (Cyanophyta), золотистые (Chrysophyta), пиррофитовые (Pyrrophyta), диатомовые (Bacillariophyta), разножгутиковые, или жёлтозелёные (Xanthophyta), эвгленовые (Euglenophyta), зелёные (Chlorophyta), харовые (Charophyta), бурые (Phaeophyta), красные (Rhodophyta). Все типы В. эволюционировали в основном независимо. В. (по-видимому, зелёные) дали начало наземным растениям.
Размеры В. колеблются от долей микрона (кокколитофориды и некоторые диатомовые) до 40 м(макроцистис). Многие В. одноклеточные; среди них есть подвижные, совершающие скользящие движения (диатомовые, десмидиевые, синезелёные), механизм передвижения которых окончательно не выяснен, и В., снабженные жгутиками, во многом подобные простейшим - жгутиковым , но отличающиеся от них наличием хлорофилла и хроматофоров. Они могут утрачивать хлорофилл (в темноте), становиться бесцветными и существовать за счёт поглощения органических веществ, растворённых в воде; есть также виды одноклеточных В., способные, подобно простейшим , захватывать органические частицы (некоторые пиррофитовые). Одноклеточные В. часто при помощи слизи или выростов объединяются в колонии. Среди многоклеточных В. наряду с крупными есть микроскопические; наиболее просто организованные из них имеют вид разветвленных нитей, состоящих из одного ряда клеток; другие имеют слоевища: корковидные, шнуровидные, шаровидные, пластинчатые или кустистые с «листьями», снабженными жилками (саргассум). У части синезелёных, зелёных и красных В. в слоевище откладываются соединения кальция, и оно становится твёрдым. В. лишены корней и поглощают нужные им вещества из воды всей поверхностью. Крупные донные В. имеют органы прикрепления - подошву (уплощённое расширение в основании) или ризоиды (разветвленные выросты). У некоторых В. побеги стелются по дну и дают новые слоевища.
Размножение В. - вегетативное, бесполое и половое. Многие одноклеточные В. размножаются делением на две части. Крупные В. размножаются вегетативно - частями слоевища или при помощи специальных почек (сфацеляриевые). Некоторые многоклеточные В. не имеют полового размножения, у большинства же образуются споры и гаметы либо в обычных клетках (зелёные В., часть красных), либо в особых образованиях - спорангиях и гаметангиях (бурые В.); споры и гаметы бывают неподвижными (красные, конъюгаты) или подвижными - со жгутиками. У В. наблюдаются все формы полового процесса: изогамия, гетерогамия, оогамия и конъюгация (слияние протопластов двух вегетативных клеток). Образующаяся в результате полового процесса зигота делится сразу или после периода покоя. Одновременно в ней может происходить мейоз . У примитивных В. одна и та же особь даёт гаметы или споры в зависимости от внешних условий. У других В. функции бесполого и полового размножения выполняют разные особи ( спорофиты и гаметофиты ); они могут произрастать одновременно в одинаковых условиях (фурцелярия); одновременно, но в разных местообитаниях (бангиевые); в одних и тех же местообитаниях, но в разные сезоны. У ряда В. происходит строгое чередование гаметофита и спорофита, которое принято называть «чередованием поколений». При этом у высших В. зигота или прорастает на гаметофите, на нём же вырастает и спорофит (ламинариевые), а гаметофит отмирает, или спора, не отделяясь от спорофита, прорастает в гаметофит, который развивается на спорофите (фукусовые). Советские специалист по В. - альголог М. М. Голлербах предложил для этого явления термин «смена форм развития», наиболее верно отражающий существо процесса. Спорофит у В. часто диплоиден (ядра содержат двойной набор хромосом), а гаметофит гаплоиден (ядра с одинарным набором хромосом). В ряде случаев гаметофит и спорофит находятся в одной ядерной фазе - оба гаплоидны (бангиевые) или оба диплоидны (некоторые кладофоры, фукусовые).
Мелкие свободноплавающие В. входят в состав планктона и, развиваясь в больших количествах, вызывают «цветение» (окрашивание) воды. Бентосные В. прикрепляются ко дну водоёма или к другим В. Есть В., внедряющиеся в раковины и известняк (сверлящие); встречаются (среди красных) и паразитические. Крупные морские В., главным образом бурые, образуют нередко целые подводные леса. Большинство В. обитает от поверхности воды до глубины 20-40 м, единичные виды (из красных и бурых) при хорошей прозрачности воды опускаются до 200 м. В. нередко в большом количестве живут на поверхности и в верхних слоях почвы, одни из них усваивают атмосферный азот, другие приспособились к жизни на коре деревьев, заборах, стенах домов, скалах. Микроскопические В. вызывают красное или жёлтое «окрашивание» снега высоко в горах и в полярных районах. Некоторые В. вступают в симбиотические отношения с грибами (лишайники) и животными.
В. - главные производители органических вещества в водной среде. Около 80% всех органических веществ, ежегодно создающихся на земле, приходится на долю В. и других водных растений . В. прямо или косвенно служат источником пищи для всех водных животных. Известны горные породы (диатомиты, горючие сланцы, часть известняков), возникшие в результате жизнедеятельности В. в прошлые геологические эпохи. В. участвуют в образовании лечебных грязей. Некоторые, в основном морские, употребляются в пищу ( морская капуста , порфира , ульва ). В приморских районах В. идут на корм скоту и удобрение. В ряде стран В. культивируют для получения большого количества биомассы , идущей на корм скоту и используемой в пищевой промышленности. Многие В. - важный компонент процесса биологической очистки сточных вод. Из В. получают: студне- и слизеобразующие вещества - агар-агар (анфельция, гелидиум), агароиды (филлофора, грацилярия), карраген (хондрус, гигартина, фурцелярия), альгинаты (ламинариевые и фукусовые), кормовую муку, содержащую микроэлементы и иод. В. широко применяют в экспериментальных исследованиях для решения проблем фотосинтеза и выяснения роли ядра и других компонентов клетки. Предпринимаются попытки использовать некоторые быстро размножающиеся и неприхотливые В. (например, хлореллу , которая быстро и в большом количестве синтезирует белки, жиры, углеводы, витамины и достаточно полно поглощает вещества, выделяемые человеком и животными) для создания круговорота веществ в обитаемых отсеках космического корабля. Наука о В. называется альгологией.
Лит.:Арнольди В. М., Введение в изучение низших организмов, М. - Л., 1925; Курсанов Л. И. и Комарницкий Н. А., Курс низших растений, 3 изд., М., 1945; Воронихин Н. Н. и Шляпина Е. В., Водоросли, в кн.: Жизнь пресных вод СССР, под ред. В. И. Жадина, т. 2, М. - Л., 1949, гл. 19; Определитель пресноводных водорослей СССР, в. 1 - Голлербах М. М. и Полянский В. И., Пресноводные водоросли и их изучение, М., 1951; Чэпмен В., Морские водоросли и их использование, пер. с англ., М., 1953; Определитель низших растений, под ред. Л. И. Курсанова, т. 1-2, Водоросли, М., 1953; Зинова А. Д., Определитель зеленых, бурых и красных водорослей южных морей СССР, М. - Л., 1967; Oltmanns F., Morphologie und Biologie der Algen, 2 Aufl., Bd 1-3, Jena, 1922- 23: Fritsch F. Е., The structure and reproduction of the algae, v. 1-2, Camb., 1935-45; Smith G. М., Manual of phycology, L., 1951; Fott B., Algenkunde, Jena, 1959; Chapman V. J., The algae, L., 1962.
Ю. Е. Петров.
Зелёные водоросли. Кладофора (Cladophora).
Красные водоросли. Полисифония (Polysiphonia).
Бурые водоросли. Саргассум (Sargassum).
Зелёные водоросли. Каулерпа (Caulerpa).
Бурые водоросли. Эктокарпус (Ectocarpus).
Бурые водоросли. Ламинария (Laminaria).
Диатомовые водоросли. Мелозира (Melosira).
Красные водоросли. Делессерия (Delesseria).
Зелёные водоросли. Ульва (Ulva).
Красные водоросли. Порфира (Porphyra).
Красные водоросли. Одонталия (Odontalia).
Синезёленые водоросли. Осциллятория (Oscillatoria).
Зелёные водоросли. Кладофора (Cladophora).
Бурые водоросли. Падина (Padina).
Зелёные водоросли. Микрастериас (Micrasterias).
Синезёленые водоросли. Анабена (Anabena).
Красные водоросли. Родимения (Rhodymenia).
Диатомовые водоросли. Пиннулярия (Pinnularia).
Зелёные водоросли. Спирогира (Spirogyra).
Красные водоросли. Каллитамнион (Callithamnion).
Зелёные водоросли. Энтероморфа (Entheromorpha).
Бурые водоросли. Фукус (Fucus).
Синезёленые водоросли. Микроцистис (Microcystis).
Зелёные водоросли. Клостериум (Closterium).
Красные водоросли. Дазия (Dasya).
Красные водоросли. Анфельция (Ahnfeltia).
Водосбор
Водосбо'р,то же, что водосборная площадь .
Водосбор (род травянистых растений)
Водосбо'р,орлик, аквилегия (Aquilegia), род многолетних травянистых растений семейства лютиковых. Цветки с 5 ярко окрашенными крупными чашелистиками и 5 воронковидными, вытянутыми в шпорец лепестками синего, фиолетового, реже красного, розового или белого цвета. Плод - сборная листовка. Известно около 75 видов - в умеренной зоне в Европе, Азии и Америке. В. растут на лесных опушках, по долинам рек и в горах. В СССР около 20 видов. Некоторые виды В. издавна введены в садовую культуру, дали много ценных форм и межвидовых гибридов; особенно ценятся длинношпорцевые гибриды. Широко распространён В. обыкновенный (A. vulgaris); известны сорта с простыми и махровыми цветками. Как декоративный ценится В. железистый (A. glandulosa) с красивыми крупными светло-синими с белым центром цветками.
Лит.:Многолетние цветы открытого грунта, М., 1959.
Водосбор обыкновенный: а - ветка с цветками; б - стеблевые листья; в - плод.
Водосборная воронка
Водосбо'рная воро'нка,полая форма рельефа в вершине временного водотока, где концентрируются дождевые и талые снеговые воды, давая начало устойчивому русловому стоку; склоны иногда прорезаны эрозионными бороздами, сходящимися к вершине канала стока. Наиболее четко выражены в горных странах.
Водосборная площадь
Водосбо'рная пло'щадь,водосбор, водосборный бассейн, ограниченная водораздельной линией площадь на поверхности земли, сток с которой идёт в водоём . Строение поверхности В. п. (рельеф, наличие озёр и болот, характер растительности) оказывает значительное влияние на условия стока воды. Так, характер рельефа В. п. определяет собой уклоны и густоту речной и овражно-балочной сети, т. е. скорость стекания по склонам и время пробега воды по руслам. Наличие различных замкнутых впадин приводит к тому, что часть воды, поступающей на дневную поверхность, задерживается в этих понижениях, расходуется на испарение и фильтрацию и только по заполнении понижений начинает стекать в русло.
Водосборник
Водосбо'рникв горном деле, горная выработка для сбора воды поверхностного и подземного стока с целью откачки её насосами. Объём В. рассчитывается на 10-12-часовой приток воды при условии полной остановки всех насосов водоотлива . При аварийных притоках воды в шахте дополнительно привлекается ёмкость выработок, прилегающих к В. и расположенных ниже насосной камеры. В. разделяется перемычкой на две части, при работе одной другая очищается.
Являясь аккумулирующей воду ёмкостью при водоотливе, В. применяются на шахтах, в тоннелях метрополитена, в карьерах и т.д.
Лит.:Буровзрывные работы, погрузка, крепление, рудничный транспорт, вентиляция и водоотлив, М., 1964.
В. А. Полуянов.
Водосброс
Водосбро'с,водосбросное сооружение, гидротехническое сооружение для сброса излишней (паводковой) воды из водохранилища, а также для полезных попусков воды в нижний бьеф . В. может иметь отверстия: поверхностные на гребне плотины (см. Водослив ); погружённые под уровень верхнего бьефа, иначе глубинные (см. Водоспуск ), или те и другие одновременно - двухъярусный В. Пропуск воды через В. регулируется затворами (см. Гидротехнический затвор ). Некоторые типы В. автоматического действия (например, сифонные и шахтные) затворами не оборудуются. В., устраиваемые в обход бетонных и земляных плотин, называются береговыми.
Водосвинка
Водосви'нка,капибара (Hydrochoerus hydrochaeris), млекопитающее семейства водосвинок отряда грызунов; единственный вид семейства; самый крупный современный грызун (длина тела более 1 м, высота 50 см, весит до 50 кг). Тело массивное, покрытое грубой редкой шерстью светло-бурого цвета. Конечности довольно длинные, с широкими копытообразными когтями. Голова вытянутая, спереди тупая. Хвоста нет. В. обитает по берегам рек и озёр в тропических лесах Центральной и Южной Америки (от Бразилии до Панамы). Живёт группами. Хорошо плавает и ныряет. Питается прибрежной и водной растительностью. Местами вредит плантациям. Раз в год самка приносит 5-6 детёнышей. В. служит предметом охоты (используются мясо и кожа).
Рисунок к ст. Водосвинка.
Водослив
Водосли'в,преграда (порог), через которую переливается поток воды; в гидротехнике В. называется водосброс со свободным переливом воды через его гребень. Для направления потока на гребне делают отверстия прямоугольной формы, ограниченные с боков устоями или промежуточными стенами (быками). По форме порога различают В.: с тонкой стенкой, с широким порогом и практического профиля, построенный по координатам траектории свободно падающей струи ( рис. ) и обладающий наибольшей пропускной способностью. В. практического профиля может быть вакуумным (если давление на гребне под струей ниже атмосферного) или безвакуумным (давление выше атмосферного). В., применяемые в лабораторной и гидрометрической практике для измерения расхода воды, называются мерными.
Схемы водосливов: 1 - с тонкой стенкой; 2 - с широким порогом; 3 - практического профиля.
Водосливная плотина
Водосли'вная плоти'на,плотина для подъёма уровня воды в реке или создания водохранилища, допускающая перелив воды при пропуске излишних (паводковых) расходов по всей длине гребня или через водосливные отверстия (см. Водослив ). В зависимости от величины расхода и уровня воды перед плотиной открытие водосливных отверстий регулируется затворами (см. Гидротехнический затвор ). Водосливные отверстия могут быть использованы также для пропуска сплавляемого леса, льдин, наносов (при низком пороге), судов (при допускаемых скоростях течения). Промежуточные водосливные отверстия ограничены быками , а крайние - устоями, служащими, кроме того, и для сопряжения В. п. с берегами или отдельными сооружениями гидроузла.
В состав В. п. на нескальном основании входят также понур , водобой и рисберма , на скальном - В. п. обычно сооружается без этих устройств. В. п. бывают бетонные, железобетонные, каменные, деревянные. Высота бетонных и железобетонных В. п. достигает 300 м, расходы сбрасываемой воды - несколько десятков тыс. м 3/ cek(см. также Плотина ).
Лит.:Гришин М. М., Гидротехнические сооружения, М., 1968.
А. Р. Березинский.
Водоснабжение
Водоснабже'ние,совокупность мероприятий по обеспечению водой различных её потребителей - населения, промышленных предприятий, транспорта и др. (см. Водопотребление ). Комплекс инженерных сооружений, осуществляющих задачи В., называется системой В. или водопроводом. Все современные системы В. населённых мест являются централизованными: каждая из них обеспечивает водой большую группу потребителей.
В зависимости от назначения обслуживаемых объектов современные водопроводы подразделяются на коммунальные и производственные (промышленные или с.-х.). Наиболее крупные потребители воды - предприятия металлургической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности, а также ТЭС. Некоторые мероприятия, связанные с использованием воды, по своей классификации не относятся к В. Например, подача воды для полива с.-х. полей представляет собой специальную отрасль водного хозяйства - орошение , подача воды по турбинам ГЭС относится к гидроэнергетике .
Для целей В. используются природные источники воды: поверхностные - открытые водоёмы (реки, водохранилища, озёра, моря) и подземные (грунтовые и артезианские воды и родники). Для нужд населения наиболее пригодны подземные воды. Однако для снабжения водой больших населённых мест подземных источников часто оказывается недостаточно, а получение из них значительного количеств воды экономически невыгодно. Поэтому для В. крупных городов и промышленных объектов используют преимущественно поверхностные источники пресной воды. Для получения воды из природных источников, её очистки в соответствии с нуждами потребителей и для подачи к местам потребления служат следующие сооружения: водоприёмные сооружения (см. Водозаборное сооружение ); насосные станции первого подъёма, подающие воду к местам её очистки; очистные сооружения ; сборные резервуары чистой воды; насосные станции второго или последующих подъёмов, подающие очищенную воду в город или на промышленные предприятия; водоводы и водопроводные сети , служащие для подачи воды потребителям. Общая схема водоснабжения ( рис. 1 ) может видоизменяться в зависимости от конкретных условий. Если, например, вода источника не требует очистки, из схемы выпадают очистные и связанные с ними сооружения. При расположении источника на более высоких отметках, чем снабжаемый водой объект, вода может быть подана самотёком, и поэтому нет необходимости в устройстве насосных станций. Расположение водонапорных башен и резервуаров зависит от рельефа местности. В некоторых системах используется несколько источников В., что ведёт к увеличению числа основных сооружений. При большой разности отметок на территории объекта иногда устраивают так называемое зонное В., т. е. отдельные сети для районов города, расположенных на разных отметках, с отдельными насосными станциями. Иногда сооружают повысительные насосные станции, забирающие воду из основной сети города и подающие её в возвышенные районы.
Водоприёмные сооружения имеют различное устройство в зависимости от вида источников В. и местных условий. Для приёма поверхностных вод используются речные, водохранилищные, озёрные, морские водоприёмники. Для приёма подземных вод в зависимости от глубины залегания водоносных пластов применяются трубчатые (буровые) колодцы, горизонтальные водосборы, представляющие собой дренажные трубы или галереи, укладываемые в пределах водоносного пласта. Родниковые воды собираются при помощи каптажных сооружений (каменных резервуаров, приёмных камер и др.), располагаемых в месте наиболее интенсивного выхода родниковой воды.
Вода поднимается из подземных источников в большинстве случаев центробежными насосами . Весьма эффективны погружные насосы, опускаемые под уровень воды в колодец вместе с электродвигателем, заключённым в водонепроницаемый кожух. При использовании артезианских (напорных) вод после сооружения колодца уровень воды в нём устанавливается над водоносным пластом. Иногда давление в пласте столь велико, что вода самоизливается из колодца на поверхность земли. Для городских водопроводов, использующих подземные воды, обычно сооружают группу колодцев. Вода из них поступает в сборный резервуар и оттуда подаётся потребителям насосной станцией. Шахтные колодцы применяют при относительно неглубоком залегании подземных вод. В зависимости от глубины шахтных колодцев подъём воды из них может быть осуществлен обычными или погружными насосами. В системах В. населённых мест водоприёмные сооружения всех типов включаются в зону санитарной охраны.