Природные воды

Природные воды

Рефератвыполнил Царев А., ст. гр. САПР - 1 - В96

МосковскийГосударственный Горный Университет

Кафедрахимии

Москва,1996 г.

ВОДНАЯСРЕДА.

Водная среда включаетповерхностные и подземные воды.

Поверхностные воды восновном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. кубическихкилометров--около 98% всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория)составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза большеплощади суши территории, занимающей 149 млн. квадратных километров. Вода вокеане 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 вповерхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях.Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине50-60 метров.

Подземные воды бываютсолеными, соленоватыми(меньшей солености) и пресными; существующиегеотермальные воды имеют повышенную температуру(более 30`С). Дляпроизводственной деятельности человечества и его хозяйственно-бытовых нуждтребуется пресная вода, количество которой составляет всего лишь 2,7% общегообьема воды на Зем       ле, причемочень 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 речнойсток пресной воды составляет 37,3 тыс. кубических километров. Кроме того, можетиспользо ваться часть подземных вод, равная 13 тыс. кубическим километрам. Ксожалению, большая часть речного стока в России, составляющая около 5000кубических километров, приходится на малоплодородные и малозаселенные северныетерритотии. При отсутствии пресной воды используют соленую поверхностную илиподземную воду, производя ее опреснение или ги       перфильтрацию: пропускают под большим перепадом давленийчерез полимерные мембраны с микроскопическими отверстиями, задерживающимимолекулы соли. Оба эти процесса весьма энергоемки, поэтому представляет интереспредложение, состоящее в использовании в качестве источника пресной водыпресноводных айсбергов (или их части), которые с этой целью буксируют по воде кберегам, не имеющим пресной воды, где организуют их таяние. По предварительнымрасчетам разработчиков этого пред ложения, получение пресной воды будет примерновдвое менее энергоемки по сравнению с опреснением и гиперфильтрацией. Важнымобстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основномпередаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). Впочем,некоторые из них, например коклюш, ветрянка,туберкулез,передаются и черезвоздушную среду. С целью борьбы с распространением заболеваний через воднуюсреду Всемирная организация здраво охранения (ВОЗ) обьявила текущее десятилетиедесятилетием питьевой воды.

Водныйбаланс земли.

Чтобыпредставить,сколько воды участвует в круговороте, охарактеризуем различныечасти гидросферы.Более 94% ее составляет Мировой океан . Другаячасть(4%)-подземные воды.При этом следует учесть ,что большая их частьотносится к глубинным рассолам,а пресные воды составляют 1/15 долю.Значителентакже 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 вруслах 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 иподземные 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 надолю пресных вод,исключая воду, скованную в полярных ледниках, приходитсянемногим более 2 млн.км., или только 0,15% всего объема гидросферы.

Водас точки зрения химии.

Огромная роль воды вжизни человека и природы послужила причиной того, что она была одним из первыхсоединений, привлекших внимание учёных. Тем не менее изучение воды ещё далеконе закончено.

Общие свойства воды.

Вода в силу популярностиеё молекул способствует разложению контактирующих с ней молекул солей на ионы,но сама вода проявляет большую устойчивость и в химически чистой водесодержится очень мало ионов 

по H+ и OH-.

Вода - инертныйрастворитель; химически не изменяется под действием большинства техническихсоединений, которые она растворяет. Это очень важно для всех живых организмовна нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные веществапоступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природныхусловиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействияне только с твердыми и жидкими веществами, но растворяя также и газы.

Даже из свежевыпавшейдождевой воды можно выделить несколько десятков миллиграммов различныхрастворенных в ней веществ на каждый литр объема. Абсолютно чистую воду никогдаи 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 наспециальных промышленных установках.

В природных условияхвода не может сохранить “химическую чистоту”. постоянно соприкасаясь совсевозможными веществами, она фактически всегда представляет собой растворразличного, зачастую очень сложного свойства. В пресной воде содержаниерастворенных веществ обычно превышает 1 г./л. От нескольких единиц до десятковграммов на литр колеблются содержание солей в морской воде: например, вБалтийском море их всего 5 г./л., в Чёрном - 18, а в Красном море - даже 41г./л.

Солевой состав морскойводы в основном на 89% слагается из хлоридов (преимущественно хлорида натрия,калия и кальция), 10% приходится на сульфаты (натрия, калия, магния) и 1% - накарбонаты (натрия, кальция) и другие соли. Пресные воды содержат обычно большевсего - до 80% карбонатов (натрия и кальция), около 13% сульфатов (натрия,калия, магния) и 7% хлоридов (натрия и кальция).

Вода хорошо растворяетгазы (особенно при низких температурах), главным образом кислород, азот,диоксид углерода, сероводород. Количество кислорода иногда достигает 6 мг./л. Вминеральных водах типа нарзан общее содержание газов может составлять до 0,1%.В природной воде присутствуют гумусовые вещества - сложные органическиесоединения, образующиеся в результате неполного распада остатков растительных иживотных тканей, а также соединения типа белков, сахаров, спиртов.

Вода обладаетисключительно высокой теплоемкостью. Теплоемкость воды принята за единицу.Теплоемкость песка, например, составляет 0,2, а железа - лишь 0,107теплоемкости воды. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергиипозволяет сглаживать резкие температурные колебания на прибрежных участкахЗемли в различные времена года и в различную пору суток: вода выступает как бырегулятором температуры на всей нашей планете.

Следует отметить особоесвойство воды - её высокое поверхностное натяжение - 72,7 эрг/см2(при 20о С). В этом отношении из всех видов дидкостей вода уступаеттолько ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связямимежду отдельными молекулами H2O. Особенно наглядно проявляетсяповерхостное натяжение в прилипании воды ко многим поверхностям - смачивании.Установлено, что вещества - глина, песок, стекло, ткани, бумага и многиедругие, легко смачиваемые водой, непременно имеют в своем составе атомыкислорода.такой факт оказался ключевым при обьяснении природы смачивания:энергитически не уравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получаютвозможность образовать дополнительные связи с “чужими” атомами кислорода.

Смачивание иповерхностное натяжение лежат в составе явления, названного капилярностью: вузких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та,которую “ позволяет” сила тяжести для столбика данного сечения.

В капилярах водаобладает поразительными свойствами. Б.В.Дерягин установил, что в капилярахвода, сконденсировавшаяся из водяного пара, не замерзает при 00 идаже при снижении темрературы на десятки градусов.

Молекулы воды отличаютсябольшой термической устойчивостью, при деструкции по схеме:   2H2O Û 2H2 + O2+ 2 ·245,6 Кдж.

начинается притемпературе выше 10000С, и при 20000С составляет лишь1,8%. При 50000С водяной пар со взрывом нацело разлагается наводород и кислород.

Вода относится к слабым электролитам.

H2O ÛH+ + OH- 

Kдисс=

= 1,8·10-16

[H+][OH-] 

    [H2O]

Вода весьмареакционноспособное вещество: может проявлять как окислительнын, так ивосстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей водапроявляет окислительные свойства: на холоде окисляет щелосные ищелочноземельные металлы, а при температуре накаливания - железо, углерод и др.

2Na + 2H2O ®  2NaOH + H2

3Fe + 4H2O ®Fe3O4 + 4H2

Под действием сильныхокислителей (фтор, хлор, электрический ток) вода проявляет восстановительныесвойства. Так, реакцию взаимодействия со фтором можно представить следующимобразом:

2F2+2H2O Û 2H2F2+O2

Cуществует три типаприсоединения воды к молекулам других веществ: по ионному, координатному иадсобционному типу.

Присоединение по ионномутипу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов,а также к кислотным оксидам:

CaO + H2O ®Ca (OH)2

P2O5+ 3H2O ® 2H3PO4

Вода, присоединяемая поионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании сбольшим 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 соединенияназываются  аквакомплексами, а вода,вошедшая в  их состав, -кристаллизационной. Кристаллизационная вода удаляется легче,чемконституционная, например, при выветривании.

Различные веществаадсорбируют на своей поверхности некоторое количество воды за счет межмолекулярных сил притяжения. Вода,присоединенная по адсорбционному типу, называется гигроскопической; онаудаляется легче, чем кристалллизационная.

Ионныйсостав природных вод.

Происходящее в почвахпроцессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделениеуглекислоты, поэтому в воде при фильтрации её через почву возрастает содержаниеуглекислоты, 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 присутствуютпочти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формированиихимического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми водавступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя  некоторые минералы. Особенно интенсивно обогащают воды осадочныепороды,такие, как известняки, доломиты,мергели, гипс, каменная соль и др. Всвою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природнойводы некоторые ионы ( например, Ca2+ , Mg2+ ), замещая ихэквивалентным количество других ионов ( Na+ , K+ ).

Подпочвенными водамилегче всего расстворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция.Силикатные и алюмосиликатные породы граниты, кварцевые породы и т.д. ) почтинерасстворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты.

Наиболеераспространенними в природных водах являются следующие ионы : Cl-,SO4 ,HCO3 ,CO2 ,Na+ ,Mg2+ ,Ca2+ ,H+.

Ион хлора присутствуетпочти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в оченьшироких пределах. Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основнымисточником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах ссодержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионовщелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ионнатрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей иокеанов.

Ионы кальция и магния вмаломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионовкальция является известняки, а  магния -доломиты (MgCO3 ,CaCO3). Лучшая расстворимость сульфатови карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах вбольших концентрациях, чем ионов кальция.

Ионы водорода вприродной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природныхвод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод в связи с меньшим содержаниемв них углекислоты pH обычно выше, чем для подземных.

Соединения азота вприродной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами засчет разложения органических веществ животного и растительного происхождения.Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами.

Соединения железа оченьчасто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор можетпроисходить под действием кислорода или кислот ( угольной, органических(. Такнапример, при окислении весьма распространенного в породах пирита получаетсясернокислое железо:

FeS2 + 4O2 ® Fe2+ + 2SO2а придействии угольной кислоты - карбонат железа:

FeS2 + 2H2CO3 ® Fe2+ + 2HCO3 + H2S + S.

Соединения кремния вприродных водах могут быть в виде кремнеивой кислоты. При pH < 8 кремниеваякислота находится практически в недиссоциированном виде; при pH >8кремниевая кислота присутствует совместно с HSiO2, а при pH >II -только HsiO2. Часть кремния находится в коллоидном состоянии, счастицами состава HSiO2H2O , а также в видеполикремнеивой кислоты: X·SiO2·y·H2O. Вприродных водах присутствуют также Al3+ ,Mn2+ и другиекатионы.

Помимо веществ ионноготапа природные воды содержат также газы и органические и грубоцисперсныевзвеси. Наиболее распространенными в природных водах газами являются кислород иуглекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты -биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислотаиз атмосферы.

Из органических веществ,попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой изгумусовых почв (торфянников, сапропелитов и др.). Большая часть из нихнаходится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические веществанепрерывно 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 веществаминерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова землидождями или талыми водами во время весенних паводков.

Подземныеводы.

Советский ученый лебедевна основе многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды впочвах и грунтах. Представления А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие вболее поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горныхпородах: в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.

Парообразованная водазанимает в породе поры, не заполненные жидкой водой, и перемещается за счетразличной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь начастицах породы, водяные пары переходят в другие виды влаги.

Различают нескольковидов связанной воды. Сорбированная вода удерживается частицами породы подвлиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этихчастиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязаннуюи рыхлосвязанную. Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлениемв несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Этопрочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь притемпературе 150 - 300оС. Чем меньше минеральные частицы, слагающиепороду, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количествопрочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, водаобразует плёнку вокруг миниральных частиц. Она удерживается слабее и довольнолегко удаляется из породы под давлением. Особенно важную роль играетсорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на просностные свойства глини фильтрационную способность.

Как уже указывалось, связаннаявода участвует в строении кристаллических решёток некоторых минералов.Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической решётки. Гипс, напримерсодержит две молекулы воды CaSO4·2H2O. Принагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит (CaSO4).

Известно, что притемпературе около 4оС вода имеет максимальную плотность 1,000 г/см3.При 100оС её плотность - 0,958 г/см3, при 250оС-  0,799 г/см3. За счетпониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретыхподземных вод.

Принято считать, чтовода практически несжимаема. Действительно, коэффициент сжимаемости воды,показывающий, на какую долю первоначального объема уменьшится объём воды приувеличении давления на I aт, очень мал. Для чистой воды он равен 5·10-5 I/ат.Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую рольв подземной гидродинамике. За счет сил упругости создается напор подземных вод.Температура и давление действуют на плотность воды в противоположномнаправлении.

Плотность подземных водзависит также от их химического состава и концентрации солей. Если пресныеподземные воды имеют плотность, близкую к 1 г/см3, то плотность концентрированных рассолов достигает1,3 - 1,4 г/см3. Повышение температуры приводит к значительномууменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает их движение черезмельчайшие поры.

Подземные водыисключительно разнообразны по свому химическому составу. Высокогорные источникиобычно дают очень пресную воду с низким содержанием растворенных солей, иногдаменее 0,1 г. в 1 л., а в одной из скважин в Туркменистане был рассол сминерализацией 547 г/л.

Списоклитературы

1. “Состав, свойства иметоды очистки сточных вод предприятий горной промышленности” Е.Ф. Панина1990г.

2.  И.Ф.Ливчак, Ю.В.Воронов "Охранаокружающей среды".

3.  Н.М.Чернова,А.М.Былова "Экология".

4. журнал"ЗНАНИЕ"(народный университет естественнонаучный факультет),"Земля людей".