Реферат выполнил Царев А., ст. гр. САПР - 1 - В96
Московский Государственный Горный Университет
Кафедра химии
Москва, 1996 г.
ВОДНАЯ СРЕДА.
Водная среда включает поверхностные и подземные воды.
Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубических километров--около 98% всей воды на 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 1 млрд. кубических километров) сохраняет постоянную соленость около 3,5% и температуру,примерно равную 3,7oС. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 метров.
Подземные воды бывают солеными, соленоватыми(меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру(более 30`С). Для производственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нужд требуется пресная вода, количество которой составляет всего 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 пресной воды содержится в снегах и пресноводных айсбергах, находящихся в районах в основном Южного полярного круга. Годовой мировой речной сток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, может использо ваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. К сожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000 кубических километров, приходится на малоплодородные и малозаселенные северные территотии. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную или подземную воду, производя ее опреснение или ги перфильтрацию: пропускают под большим перепадом давлений через полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающими молекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интерес предложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной воды пресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде к берегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительным расчетам разработчиков этого пред ложения, получение пресной воды будет примерно вдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впочем, некоторые из них, например коклюш, ветрянка,туберкулез,передаются и через воздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здраво охранения (ВОЗ) обьявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды.
Водный баланс земли.
Чтобы представить,сколько воды участвует в круговороте, охарактеризуем различные части гидросферы.Более 94% ее составляет Мировой океан . Другая часть(4%)-подземные воды.При этом следует учесть ,что большая их часть относится к глубинным рассолам,а пресные воды составляют 1/15 долю.Значителен также обем льда полярных ледников:с пересчетом на воду он достигает 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 очень большую роль: они,как и подземные воды, удовлетворяют значительную часть потребностей населения , промышленности и орошаемого земледелия. Воды на Земле довольно много . Гидросфера составляет около 1/4180 части всей массы нашей планеты. Однако на долю пресных вод,исключая воду, скованную в полярных ледниках, приходится немногим более 2 млн.км., или только 0,15% всего объема гидросферы.
Вода с точки зрения химии.
Огромная роль воды в жизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первых соединений, привлекших внимание учёных. Тем не менее изучение воды ещё далеко не закончено.
Общие свойства воды.
Вода в силу популярности её молекул способствует разложению контактирующих с ней молекул солей на ионы, но сама вода проявляет большую устойчивость и в химически чистой воде содержится очень мало ионов
по H+ и OH-.
Вода - инертный растворитель; химически не изменяется под действием большинства технических соединений, которые она растворяет. Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействия не только с твердыми и жидкими веществами, но растворяя также и газы.
Даже из свежевыпавшей дождевой воды можно выделить несколько десятков миллиграммов различных растворенных в ней веществ на каждый литр объема. Абсолютно чистую воду никогда и никому ещё не удавалось получить ни в одном из её агрегатных состояний; химически чистую воду, в значительной мере лишенную растворенных веществ, производят путем длительной и кропотливой очистки в лабораториях или на специальных промышленных установках.
В природных условиях вода не может сохранить “химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, она фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержание растворенных веществ обычно превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание 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 низких температурах), главным образом кислород, азот, диоксид углерода, сероводород. Количество кислорода иногда достигает 6 мг./л. В минеральных водах типа нарзан общее содержание газов может составлять до 0,1%. В природной воде присутствуют гумусовые вещества - сложные органические соединения, образующиеся в результате неполного распада остатков растительных и животных тканей, а также соединения типа белков, сахаров, спиртов.
Вода обладает исключительно высокой теплоемкостью. Теплоемкость воды принята за единицу. Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа - лишь 0,107 теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участках Земли в различные времена года и в различную пору суток: вода выступает как бы регулятором температуры на всей нашей планете.
Следует отметить особое свойство воды - её высокое поверхностное натяжение - 72,7 эрг/см2 (при 20о С). В этом отношении из всех видов дидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H2O. Особенно наглядно проявляется поверхостное натяжение в прилипании 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 ключевым при обьяснении природы смачивания: энергитически не уравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с “чужими” атомами кислорода.
Смачивание и поверхностное натяжение лежат в составе явления, названного капилярностью: в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которую “ позволяет” сила тяжести для столбика данного сечения.
В капилярах вода обладает поразительными свойствами. Б.В.Дерягин установил, что в капилярах вода, сконденсировавшаяся из водяного пара, не замерзает при 00 и даже при снижении темрературы на десятки градусов.
Молекулы воды отличаются большой термической устойчивостью, при деструкции по схеме: 2H2O Û 2H2 + O2 + 2 · 245,6 Кдж.
начинается при температуре выше 10000С, и при 20000С составляет лишь 1,8%. При 50000С водяной пар со 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: может проявлять как окислительнын, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства: на холоде окисляет 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, реакцию взаимодействия со фтором можно представить следующим образом:
2F2+2H2O Û 2H2F2+O2
Cуществует три типа присоединения воды к молекулам других веществ: по ионному, координатному и адсобционному типу.
Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам:
CaO + H2O ® Ca (OH)2
P2O5 + 3H2O ® 2H3PO4
Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом. Так отщепление от едкого натра начинается при 1388oС :
2NaOH ® Na2O + H2O
К ионам металлов - комплексообразователей присоединение идёт по координатному типу :
CaCl2 + CH2O ® Ca(H2O)6 · Cl2
Полученные соединения называются аквакомплексами, а вода, вошедшая в их состав, - кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется 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; она удаляется легче, чем кристалллизационная.
Ионный состав природных вод.
Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с ообразованием растворимых в воде кислых солей типа:
CaCO3 + H2O + CO2 ® Ca(HCO3)2
Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы,такие, как известняки, доломиты,мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы ( например, Ca2+ , Mg2+ ), замещая их эквивалентным количество других ионов ( Na+ , K+ ).
Подпочвенными водами легче всего расстворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция. Силикатные и алюмосиликатные породы граниты, кварцевые породы и т.д. ) почти нерасстворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.
Наиболее распространенними в природных водах являются следующие ионы : Cl- ,SO4 ,HCO3 ,CO2 ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.
Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.
Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая расстворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция.
Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно выше, чем для подземных.
Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.
Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа