|
|
 |
Реферат: Природные воды
Реферат: Природные воды
Московский Государственный Горный Университет
Природные воды
(Кафедра химии)
Выполнил:
Преподаватель:
Царев А.
Лебедев А. В.
ст. гр. САПР - 1 - В96
Москва, 1996 г.
План:
1. Водная среда.
2.
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 ( 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 ( 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 ( 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
,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 в раствор может происходить под действием кислорода или
кислот ( угольной, органических(. Так например, при окислении весьма
распространенного в породах пирита получается сернокислое железо:
а при действии угольной кислоты - карбонат железа:
FeS2 + 2H2CO3 ( Fe2+ + 2HCO3 + H2S + S.
. Часть кремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава
HSiO2(H2O , а также в виде поликремнеивой кислоты: X(SiO2(y(H2O. В
природных водах присутствуют также Al3+ ,Mn2+ и другие катионы.
Помимо веществ ионного тапа природные воды содержат также газы и
органические и грубоцисперсные взвеси. Наиболее распространенными в
природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником
кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы,
происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы.
Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые
вещества, вымываемые водой из гумусовых почв (торфянников, сапропелитов
и др.). Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих
водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате
отмирания различных водных организмов. При этом часть из них остается
взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад.
Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод,
представляют собой вещества минерального и органического происхождения,
смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время
весенних паводков.
Подземные воды.
Советский ученый лебедев на основе многочисленных экспериментов
разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах. Представления
А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних
исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах:
в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.
Парообразованная вода занимает в породе поры, не заполненные жидкой
водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или
потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары
переходят в другие виды влаги.
Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода
удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при
взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными
катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и
рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под
давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из
глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается
лишь при температуре 150 - 130оС.
ЛИТЕРАТУРА:
1. “Состав, свойства и методы очистки сточных вод предприятий горной
промышленности” Е.Ф. Панина 1990г.
2) И.Ф.Ливчак, Ю.В.Воронов "Охрана окружающей среды".
3) Н.М.Чернова,А.М.Былова "Экология".
4) журнал "ЗНАНИЕ"(народный университет естественнонаучный факультет),
"Земля людей".
|
|
 |
 |
 |
 |
|
|
Кто на сайте?
Сейчас на сайте находятся:
345 гостей
|
|
|
