Распространенность в природе.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии по химии воды затронуты теоретические вопросы курса, которые должны быть использованы при оценке качества природных вод и выборе способов и методов очистки сточных вод и доведения их до соответствующих кондиций. Затронутые вопросы помогут специалистам по водоснабжению и водоотведению оценить рациональность и эффективность методов водоподготовки.

Задачами данного курса являются:

- дать современные представления о физико-химических процессах, протекающих в природных и сточных водах;

- ознакомить с принципами анализа природных и сточных вод и использованием результатов анализа для оценки качества воды и для выбора методов ее очистки;

- изучение современных технологических методов обработки вод различного происхождения и назначения, способов их обеззараживания;

Данное пособие можно рассматривать как часть лекционного курса «Химия воды и микробиология», предусмотренного учебным планом специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

В пособие включены также тематические тесты по материалу курса и тесты для итогового контроля знаний студентов.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

На всех стадиях развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко увеличилось. В связи с научно-технической революцией и расширением сферы производства возникает потребность в потреблении больших объемов воды. Новые технологии диктуют жесткие требования к качеству воды, включаемой в технологические циклы. С другой стороны необходимость надежной защиты водоемов от загрязнения сточными водами промышленного происхождения диктует строгие нормы допустимого содержания примесей в этих водах. Разработка и внедрение в практику новых современных методов очистки природных и сточных вод, совершенствование методов контроля за качеством воды различного назначения увеличивает значимость подготовки специалистов по водоснабжению и диктует особые требования к преподаванию дисциплин химического профиля одной из которых является «Химия воды и микробиология».

Особого внимания заслуживает изучение физико-химических способов обработки сточных вод. При проведении в области очистки сточных вод промпредприятий необходимо исходить из предположения, что сброс в водоемы даже очищенных сточных вод допустим лишь в тех случаях, когда применение замкнутого цикла не может быть осуществлено.

Интересным и многообещающим является разработка способов химической обработки производственных стоков с использованием сырья и отходов производства данного предприятия или отходов других производств.

Все процессы водоподготовки, включая выбор источника водопользования, связаны с физико-химическими и микробиологическими исследованиями. Специалисты по водоснабжению, связанные с рациональным использованием водных ресурсов должны в совершенстве знать не только современные методы анализа природных и сточных вод, но и химические процессы, происходящие в природных и сточных водах. Это будет способствовать внедрению новых экономичных способов очистки, повышению эффективности и интенсификации применяемых методов; позволит сократить расход воды на технические нужды и возвратить в производство ценные отходы.

 

 

1. ВОДА (окись водорода) Н₂О

Распространенность в природе.

Вода широко распространена в природе во всех трех состояниях.

1. В виде паров она обычно содержится в атмосфере даже при температуре ниже 0 ⁰С. Эта атмосферная вода образуется в основном в результате испарения морей под действием солнечного тепла и транспирации растений.

Содержание воды в атмосфере изменяется в широких пределах. Воздух в районах с умеренным климатом содержит в среднем ²/₃ паров воды, необходимых для насыщения. При охлаждении воздуха может достигаться его температура насыщения, при которой жидкая фаза отделяется в виде тумана и дождя или конденсируется на поверхности твердых тел (точка росы).

2. Большая часть земного шара покрыта льдом. В полярных районах вода замерзает на поверхности, образуя слой чистого льда, называемого ледяным затором. Плавающие горы (айсберги) отрываются от огромных льдин, находящихся у берегов Ледовитого океана.

3. Вода ни в одной из ее природных форм не бывает чистой, так как она растворяет часть соприкасающихся с ней веществ. Самая чистая вода – это метеорная (дождь, снег), но и она содержит растворенные газы и другие вещества, содержащиеся в атмосфере (О₂, N₂, CO₂, нитрат, нитрит и карбонат аммония, следы перекиси водорода, следы органических веществ, различную пыль). Метеорная вода, попадая на Землю, может пройти через водопроницаемые слои (почву, песок), где образуются подземные озера. Подземная вода снова появляется на поверхности в виде родников или артезианских колодцев, образующих реки и так далее.

Состав такой водызависит от земных слоев, через которые она проходила и от времени контакта с ними. Наименьшее количество растворенных веществ содержит вода горных источников, а также вода, образующаяся в результате таяния льда (≈50 мг/л).

Подземные воды обычно содержат большее количество веществ (≈2 г/л), а речная вода, помимо органических веществ, содержит во взвешенном состоянии и минеральные вещества.

Родниковая и речная вода всегда содержит растворенные атмосферные газы – кислород, азот и двуокись углерода, а также некоторые катионы (Са³⁺, Mg²⁺, Na²⁺) и анионы угольной (НСО₃^-), серной и соляной кислот, и в небольших количествах другие.

Самая важная соль - бикарбонат кальция. Вода, содержащая его в больших количествах, жесткая вода, не дает с мылом пену и не размягчает сваренные в ней овощи. Бикарбонат кальция, содержащийся в воде в значительных количествах, при выходе ее на поверхность, разлагается на СО₂ и СаСО₃, который осаждается (образование сталактитов). То же происходит при кипячении воды (образование накипи).

Океанская вода имеет почти постоянный состав. Она содержит примерно 35 г солей в 1 л, из них 27 г хлорида натрия. Кроме этого в ней имеются Mg²⁺, K⁺, Br ^-, SO₄^2-, а также незначительные количества йода и цветных металлов.

Концентрация солей во внутренних морях выше (Средиземное море) или ниже (Черное море), чем в океанах. Очень высокие концентрации в морях, не имеющих выхода в океан (Мертвое море).

Минеральные воды. Вода многих родников, проходя через различные слои почвы, растворяет большие количества твердых и газообразных веществ. В некоторых случаях вода родников имеет высокую температуру (термические источники), достигающую 100 ⁰С, поэтому в ней содержаться большие количества солей.

Чистую воду получают из природной, путем перегонки.

Смесь 2 объемов водорода и 1 объема кислорода при соприкосновении с пламенем или пропускании электрической искры дает сильный взрыв с образованием воды:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О.

 

Физические свойства воды

Чистая вода бесцветна, она не имеет ни запаха, ни вкуса. В более толстом слое вода кажется окрашенной в голубой цвет.

Температура, при которой жидкая и твердая фаза воды находятся в равновесии, то есть температура плавления, при 760 мм рт.ст. принята за 0 термометрической шкалы Цельсия. Температура кипения – 100⁰ той же шкалы. По отношению к воде даются определения других физических единиц.

Во многих отношениях вода является исключительной жидкостью. Температуры плавления и кипения воды, по сравнению с соответствующими температурами соединений водорода с соседними элементами в периодической таблице, необычайно высокие:

	СН4	NH3	H2O	HF
Т пл., 0С	-184	-78		-83
Т кип., 0С	-164	-33	+100	+19,5
	SiH4	PH3	H2S	HCl
Т пл., 0С	-185	-133	-85	-115
Т кип., 0С	-112	-87	-61	-85

 

Плотность воды по мере повышения температуры не уменьшается постепенно, как у остальных жидкостей, а имеет при 4 ⁰С максимальную величину. Выше этой температуры, что вполне нормально, плотность уменьшается; то же происходит и при охлаждении воды ниже 4 ⁰С.

Т, 0С
Р г/см3	0,999866	1,000	0,999727	0,999127	0,998230

При переходе в твердое состояние при 0 ⁰С снова происходит изменение плотности. Плотность льда с температурой 0 ⁰С равна 0,91, следовательно, его объем на 10% больше равного по весу объема воды той же температуры. Этим объясняется растрескивание сосудов, заполненных водой и попавших на мороз. При очень высоких давлениях (20 000 атм.) образуются другие формы льда, их объем меньше, чем объем жидкой воды.

Все эти аномалии физических свойств воды вызваны явлением ассоциации молекул воды.

Аномалии плотности воды имеют большое влияние на климат планеты и на жизнь животных и растений. Когда вода рек, озер и морей охлаждается ниже 4 ⁰С, она становиться легче и не идет ко дну, а остается на поверхности, где и замерзает. Поэтому на большой глубине вода не замерзает и в ней сохраняется жизнь.

Если бы плотность льда была больше плотности воды, то по мере образования лед шёл бы ко дну, и океаны целиком замерзли, поскольку тепла, получаемого от солнца в теплое время, было бы недостаточно для их оттаивания.

 

Строение молекул воды

Молекула воды имеет форму треугольника (дипольный момент ≠ 0). Угол между прямыми соединяющими ядра водорода с ядром кислорода (валентный угол кислорода) = 105 ⁰С. Расстояние О-Н в жидком и твердом состоянии равно 0,99 А.

 

Ассоциация молекул воды за счет водородных связей.

О … Н Н

/ \ \ /

Н Н … О

 

Изотопный состав воды

У водорода 3 изотопа ¹Н (≈1); ²Н (D –дейтерий ≈2); ³Н (Т – тритий ≈3). Кислород имеет 3 изотопа с массовыми числами 16, 17, 18. Природная вода является смесью различных молекул. Вода состава Д₂¹⁶О, Д₂¹⁷О, Д₂¹⁸О – тяжелая вода; в состав которой входит Т – сверхтяжелая вода. Сверхтяжелая вода замерзает при 3,8 ⁰С, кипит при 101,4 ⁰С. Максимальная плотность при +11 ⁰С. Растворимость в тяжелой воде ниже чем в обычной. Тяжелая вода оказывает тормозящее действие на жизненные процессы в растительных и живых организмах. Применяется в урановых котлах в качестве замедлителя ядерного распада.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: