Реферат выполнилЦарев А., ст. гр. САПР — 1 — В96
МосковскийГосударственный Горный Университет
Кафедра химии
Москва, 1996 г.
ВОДНАЯ СРЕДА.
Водная среда включает поверхностные и подземныеводы.
Поверхностные воды в основном сосредоточены вокеане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубических километров--около 98% всей водына Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров.Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн.квадратных километров. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5% итемпературу, примерно равную 3,7oС. Заметные различия в солености итемпературе наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а такжев окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислородав воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.
Подземные воды бывают солеными, соленоватыми(меньшейсолености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышеннуютемпературу(более 30`С). Для производственной деятельности человечества и егохозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляетвсего лишь 2,7% общего обьема воды на Зем ле, причем очень малая ее доля(всего 0,36%) имеется в легкодоступных для добычи местах. Большая часть преснойводы содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах восновном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной водысоставляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использо ватьсячасть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. К сожалению, большаячасть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров,приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территотии. Приотсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду,производя ее опреснение или ги перфильтрацию: пропускают под большимперепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями,задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтомупредставляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источникапресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой цельюбуксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние.По предварительным расчетам разработчиков этого пред ложения, получение преснойводы будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением игиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то,что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всехзаболеваний). Впочем, некоторые из них, например коклюш,ветрянка, туберкулез, передаются и через воздушную среду. С целью борьбы сраспространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) обьявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.
Водный балансземли.
Чтобы представить, сколько воды участвует вкруговороте, охарактеризуем различные части гидросферы.Более 94% ее составляетМировой океан. Другая часть(4%)-подземные воды.При этом следует учесть, чтобольшая их часть относится к глубинным рассолам, а пресные воды составляют 1/15долю.Значителен также обем льда полярных ледников: с пересчетом на воду ондостигает 24 млн.км., или 1,6% объема гидросферы. Озерной воды в 100 раз меньше-230 тыс.км., а в руслах рек содержится всего лишь 1200 км. воды, или 0,0001%всей гидросферы. Однако, несмотря на малый объем воды, реки играют оченьбольшую роль: они, как и подземные воды, удовлетворяют значительную частьпотребностей населения, промышленности и орошаемого земледелия. Воды на Земледовольно много. Гидросфера составляет около 1/4180 части всей массы нашейпланеты. Однако на долю пресных вод, исключая воду, скованную в полярныхледниках, приходится немногим более 2 млн.км., или только 0,15% всего объемагидросферы.
Вода с точкизрения химии.
Огромная роль воды в жизни человека и природыпослужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекшихвнимание учёных. Тем не менее изучение воды ещё далеко не закончено.
Общие свойства воды.
Вода в силу популярности её молекул способствуетразложению контактирующих с ней молекул солей на ионы, но сама вода проявляетбольшую устойчивость и в химически чистой воде содержится очень мало ионов
по H+ и OH-.
Вода — инертный растворитель; химически неизменяется под действием большинства технических соединений, которые онарастворяет. Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете,поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водныхрастворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегдасодержит то или иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми ижидкими веществами, но растворяя также и газы.
Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделитьнесколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней веществ на каждыйлитр объема. Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получитьни в одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительноймере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и кропотливойочистки в лабораториях или на специальных промышленных установках.
В природных условиях вода не может сохранить“химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, онафактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую оченьсложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычнопревышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблютсясодержание солей в морской воде: например, в Балтийском море их всего 5 г./л.,в Чёрном — 18, а в Красном море — даже 41 г./л.
Солевой состав морской воды в основном на 89%слагается из хлоридов (преимущественно хлорида натрия, калия и кальция), 10%приходится на сульфаты (натрия, калия, магния) и 1% — на карбонаты (натрия,кальция) и другие соли. Пресные воды содержат обычно больше всего — до 80% карбонатов(натрия и кальция), около 13% сульфатов (натрия, калия, магния) и 7% хлоридов(натрия и кальция).
Вода хорошо растворяет газы (особенно при низкихтемпературах), главным образом кислород, азот, диоксид углерода, сероводород.Количество кислорода иногда достигает 6 мг./л. В минеральных водах типа нарзанобщее содержание газов может составлять до 0,1%. В природной воде присутствуютгумусовые вещества — сложные органические соединения, образующиеся в результатенеполного распада остатков растительных и животных тканей, а также соединениятипа белков, сахаров, спиртов.
Вода обладает исключительно высокой теплоемкостью.Теплоемкость воды принята за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет0,2, а железа — лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливатьбольшие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурныеколебания на прибрежных участках Земли в различные времена года и в различнуюпору суток: вода выступает как бы регулятором температуры на всей нашейпланете.
Следует отметить особое свойство воды — её высокоеповерхностное натяжение — 72,7 эрг/см2 (при 20о С). Вэтом отношении из всех видов дидкостей вода уступает только ртути. Подобноесвойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекуламиH2O. Особенно наглядно проявляется поверхостное натяжение вприлипании воды ко многим поверхностям — смачивании. Установлено, что вещества- глина, песок, стекло, ткани, бумага и многие другие, легко смачиваемые водой,непременно имеют в своем составе атомы кислорода.такой факт оказался ключевымпри обьяснении природы смачивания: энергитически не уравновешенные молекулыповерхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с“чужими” атомами кислорода.
Смачивание и поверхностное натяжение лежат в составеявления, названного капилярностью: в узких каналах вода способна подниматься навысоту гораздо большую, чем та, которую “ позволяет” сила тяжести для столбикаданного сечения.
В капилярах вода обладает поразительными свойствами.Б.В.Дерягин установил, что в капилярах вода, сконденсировавшаяся из водяногопара, не замерзает при 00и даже при снижении темрературы на десяткиградусов.
Молекулы воды отличаются большой термическойустойчивостью, при деструкции по схеме: 2H2O Û 2H2+ O2 + 2 · 245,6 Кдж.
начинается при температуре выше 10000С, ипри 20000С составляет лишь 1,8%. При 50000С водяной парсо взрывом нацело разлагается на водород и кислород.
Вода относится к слабым электролитам.
H2O Û H+ +OH-
Kдисс=
= 1,8·10-16
[H+][OH-]
[H2O]
Вода весьма реакционноспособное вещество: можетпроявлять как окислительнын, так и восстановительные свойства. Так, под действиемсильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холодеокисляет щелосные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания — железо, углерод и др.
2Na + 2H2O ® 2NaOH + H2
3Fe + 4H2O ® Fe3O4+ 4H2
Под действием сильных окислителей (фтор, хлор,электрический ток) вода проявляет восстановительные свойства. Так, реакциювзаимодействия со фтором можно представить следующим образом:
2F2+2H2O Û 2H2F2+O2
Cуществует три типа присоединения воды к молекуламдругих веществ: по ионному, координатному и адсобционному типу.
Присоединение по ионному типу происходит к оксидамщелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотнымоксидам:
CaO + H2O ® Ca (OH)2
P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4
Вода, присоединяемая по ионному типу, называетсяконституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом. Так отщеплениеот едкого натра начинается при 1388oС :
2NaOH ®Na2O + H2O
К ионам металлов — комплексообразователейприсоединение идёт по координатному типу :
CaCl2 + CH2O ® Ca(H2O)6 · Cl2
Полученные соединения называются аквакомплексами, авода, вошедшая в их состав, — кристаллизационной. Кристаллизационная водаудаляется легче, чем конституционная, например, при выветривании.
Различные вещества адсорбируют на своей поверхности некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода,присоединенная по адсорбционному типу, называется гигроскопической; онаудаляется легче, чем кристалллизационная.
Ионный составприродных вод.
Происходящее в почвах процессы окисленияорганических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтомув воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, чтоприводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, сообразованием растворимых в воде кислых солей типа:
CaCO3 + H2O + CO2®Ca(HCO3)2
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в техили иных количествах. Большую роль в формировании химического состава водыиграют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение,фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают водыосадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль идр. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать изприродной воды некоторые ионы ( например, Ca2+ , Mg2+), замещая их эквивалентным количество других ионов ( Na+, K+ ).
Подпочвенными водами легче всего расстворяются хлоридыи сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породыграниты, кварцевые породы и т.д. ) почти нерасстворимы в воде и содержащейуглекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенними в природных водахявляются следующие ионы: Cl- ,SO4 ,HCO3 ,CO2 ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природныхводоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат — ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в водесульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат — иона обычновыше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах внаибольших количествах находится ион натрия, который является характерным иономсильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водахзанимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки,а магния — доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшаярасстворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионаммагния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция.
Ионы водорода в природной воде обусловленыдиссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах6,5 — 8,5. Для поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в нихуглекислоты pH обычно выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представленыионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органическихвеществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того,попадают в водоемы со сточными промышленными водами.
Соединения железа очень часто встречаются вприродных водах, причем переход железа в раствор может происходить поддействием кислорода или кислот ( угольной, органических(. Так например, при окислениивесьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:
FeS2 + 4O2 ® Fe2+ + 2SO2 а при действииугольной кислоты — карбонат железа:
FeS2 + 2H2CO3® Fe2++ 2HCO3 + H2S + S.
Соединения кремния в природных водах могут быть ввиде кремнеивой кислоты. При pH 8 кремниевая кислота присутствуетсовместно с HSiO2, а при pH >II — только HsiO2. Частькремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2H2O, а также в виде поликремнеивой кислоты: X·SiO2··H2O. В природных водахприсутствуют также Al3+ ,Mn2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного тапа природные воды содержаттакже газы и органические и грубоцисперсные взвеси. Наиболее распространеннымив природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источникомкислорода является атмосфера, углекислоты — биохимические процессы,происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.
Из органических веществ, попадающих извне, следуетотметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфянников,сапропелитов и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. Всамих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результатеотмирания различных водных организмов. При этом часть из них остаетсявзвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.
Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутностьприродных вод, представляют собой вещества минерального и органическогопроисхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами вовремя весенних паводков.
Подземные воды.
Советский ученый лебедев на основе многочисленныхэкспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах.Представления А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более позднихисследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах: в формепара, связанную, свободную, в твердом состоянии.
Парообразованная вода занимает в породе поры, незаполненные жидкой водой, и перемещается за счет различной величины упругостипара или потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные парыпереходят в другие виды влаги.
Различают несколько видов связанной воды.Сорбированная вода удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающихпри взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменнымикатионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлением в несколько тысячатмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода.Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 — 300оС.Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше ихповерхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этойпороде. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плёнку вокруг миниральныхчастиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы поддавлением. Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах.Она влияет на просностные свойства глин и фильтрационную способность.
Как уже указывалось, связанная вода участвует встроении кристаллических решёток некоторых минералов. Кристаллизационная водавходит в состав кристаллической решётки. Гипс, например содержит две молекулыводы CaSO4·2H2O.При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит (CaSO4).
Известно, что при температуре около 4оСвода имеет максимальную плотность 1,000 г/см3. При 100оСеё плотность — 0,958 г/см3, при 250оС - 0,799 г/см3.За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движениенагретых подземных вод.
Принято считать, что вода практически несжимаема.Действительно, коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долюпервоначального объема уменьшится объём воды при увеличении давления на I aт,очень мал. Для чистой воды он равен 5·10-5I/ат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играютважнейшую роль в подземной гидродинамике. За счет сил упругости создается напорподземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды впротивоположном направлении.
Плотность подземных вод зависит также от иххимического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеютплотность, близкую к 1 г/см3, то плотность концентрированныхрассолов достигает 1,3 — 1,4 г/см3. Повышение температуры приводит кзначительному уменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает ихдвижение через мельчайшие поры.
Подземные воды исключительно разнообразны по свомухимическому составу. Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду снизким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л., а в одной изскважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 г/л.
Списоклитературы
1. “Состав, свойства и методы очистки сточных водпредприятий горной промышленности” Е.Ф. Панина 1990г.
2. И.Ф.Ливчак, Ю.В.Воронов «Охрана окружающейсреды».
3. Н.М.Чернова, А.М.Былова «Экология».
4. журнал «ЗНАНИЕ»(народный университетестественнонаучный факультет), «Земля людей».