Основные физические и химические свойства воды

Лекция 2
Основные физические и химические свойства воды

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Строение и изотопный состав воды.
Физические свойства воды.
Вода как универсальный растворитель.
Химический состав природных вод.
Основные группы растворенных веществ.
Классификация природных вод по величине минерализации.
Загрязнение природных вод и методы борьбы с ним.
Самоочищение природных вод.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

“Самое необыкновенное вещество в мире”.
Так назвал свою научно – популярную книгу о воде известный советский ученый академик И.В.Петрянов

А свою книгу “Занимательная физиология” доктор биологических наук Б.Ф.Сергеев начал с главы о воде – “Вещество, которое создало нашу планету”. 

Почти 70% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши.
Почти 75% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 25% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. 
Это единственное вещество, которое встречается в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Строение и изотопный состав воды.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Изотопный состав воды — процент содержание молекул с различной изотопной массой (изотопологов) в воде.
Так как молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Водород воды имеет три изотопа: протий 1Н (протон + электрон), дейтерий 2Н или Д (протон + нейтрон + электрон), тритий 3Н или Т (протон + два нейтрона + электрон), с массовыми числами соответственно 1, 2 и 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы. Тритий – бета радиоактивен. У кислорода обнаружены шесть изотопов: О14, О15, О16 О17, О18 и О19. Три из них: О16, О17 и О18 - стабильные, а О14, О15 и О19 являются радиоактивными изотопами. Стабильные изотопы кислорода содержатся во всех природных водах. Тяжёлая вода состоит из тяжелых изотопов дейтерия и трития. Учитывая разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, с большой долей достоверности можно утверждать о наличии 36 изотопных разновидностей природной воды.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества. Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности. Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов и гидроксильных ионов OH− составляет 10-7 моль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть присутствуют другие положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Минерализация и соленость природных вод.
Химический состав природных вод.
Природные воды представляют собой собственно воду - химическое соединение кислорода и водорода - и растворенные в ней вещества, обусловливающие ее химический состав и свойства. В воде растворяются твердые, жидкие и газообразные вещества, которые делятся на три группы:
хорошо растворимые (в 100 г воды растворяется более 10 г вещества);
плохо растворимые, или малорастворимые (в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества);
практически не растворимые (в 100 г воды растворяется менее 0,01 г вещества).
Классификация по величине минерализации, т. е. по сумме ионов, найденных в воде анализом. Округляя различные предложенные классификацией пределы, можно по величине минерализации наметить следующее деление вод:
Пресные - до 1,0 г/кг
Солоноватые - 1—25г/кг
С морской соленостью - 25—50г/кг
Рассолы - выше 50г/кг

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Минерализацией называют сумму содержащихся в воде минерал веществ.
Минерализацию пресных вод принято выражать в милиграммах на литр (мг/л) или граммах на литр (г/л), соленых вод рассолов - в граммах на литр процентах (%) или промилле (‰).
Обычно в воде находятся различные примеси органического и неорганического происхождения. Различают воду соленую и пресную. Основную массу воды на нашей планете составляет соленая вода, образующая соленый Мировой океан и большую часть минерализованных подземных вод глубинного залегания.
Причинами засоления воды могут быть уменьшение питания водоемов речными водами, наступление морских вод (марши), загрязнение сточными водами с высоким содержанием различных солей.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Минеральное наполнение природных вод очень разное.
Атмосферные осадки слабоминерализованные, общая минерализация дождя и снега колеблется в пределах от 10 до 30 мг/дм3. Зимой солей в осадках больше, чем в летние месяцы. Снежинка благодаря своей структуре способна захватить из воздуха большее количество примесей. В тундре и над тайгой осадки чище, так как атмосфера не загрязнена, а над пыльными пустынями и степями минерализация осадков резко возрастает. На побережьях дождь содержит больше хлоридов, чем в глубине континента, где преобладают сульфаты в виде диоксида серы.
В природных водах превалируют катионы Mg2+, Na+, K+, Ca2+ и анионы HCO3-, SO42-, Cl —. По главному аниону воды подразделяют на три класса – гидрокарбонатный, хлоридный, сульфатный.
По преобладающему катиону определяется группа вод:
магниевая;
натриевая;
кальциевая.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Природные воды различного происхождения обычно имеют различный солевой состав и относятся соответственно к разным классам и группам.


Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Свой негативный вклад в изменение минерализации природных вод вносят промышленные сточные воды, а также городские «ливневки». Резко возрастает приток солей в реки ранней весной, когда тает снег, смешанный с противогололедным реагентом. В стоках с улиц городов показатель минерализации колеблется от 400 до 800 мг/дм3.
Общая минерализация многих производственных сточных вод достигает 1000-3000 мг/дм3. Высокоминерализованные сточные воды промышленных производств (ВМСВ) признаются экологами одним из самых распространенных и опасных загрязняющих факторов. В производственных стоках ТЭЦ, горнодобывающей промышленности, гальванических производств присутствуют высокие концентрации солей натрия, магния и кальция. Для очистки заводских сточных вод, насыщенных солями в самых причудливых сочетаниях, рационально использовать комплексную технологию глубокого обессоливания на базе двухступенчатого обратного осмоса.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

К основным физическим методам очистки воды относят:

процеживание;
отстаивание;
фильтрование (в том числе центробежное);
ультрафиолетовая обработка.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Химические способы (методы) очистки воды

нейтрализация;
окисление;
восстановление.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Физико-химические
способы очистки воды

флотация;
сорбция;
экстракция;
ионообмен;
электродиализ;
обратный осмос;
термические методы.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Биологические способы(методы) очистки воды

биологические пруды;
поля фильтрации;
биофильтры;
аэротенки (окситенки);
метантенки.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

В связи с огромной проблемой загрязнения природных вод существуют разные методы и способы очистки воды. Но несмотря на это одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению.
Самоочищение вод - это восстановление их природных свойств в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости от многих природных факторов. К числу таких факторов следует отнести: биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; гидрологические — разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; физические — влияние солнечной радиации и температуры; механические - осаждение взвешенных частиц; химические — превращение органических веществ в минеральные (т. е. минерализация).

Самоочищение природных вод.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

При поступлении сточных вод в водоем происходят смешивание стоков с водой водоема и снижение концентрации загрязнений. Полная смена воды в реках занимает в среднем 16 сут., болотах – 5сут., озерах - 17 лет. Разница во времени связана с разными сроками полного водообмена в разных водотоках и водоемах.
Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Быстрее самоочищение протекает на реках с быстрым течением. Большая часть взвешенных загрязнений осаждается, это взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы, благодаря этому, вода осветляется и становится прозрачной. Уменьшение концентрации загрязняющих водные объекты неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот  и щелочей за счет естественной буферности  природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биохимического окисления.

Литвинович А. В.

Гидрология

Лекция 2

Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, т. е. образование минеральных веществ из органических  под воздействием биологических, химических и других факторов. При минерализации в воде снижается количество органических веществ, наряду с этим может окисляться и органическое вещество микробов, а следовательно, часть бактерий гибнет.
В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами; бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м; влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами; неблагоприятных температурных условий; антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Существенную роль в процессах самоочищения воды играют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели последних. Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.

Литвинович А. В.

Лекция 2

Гидрология