Вода - Euroakadeemia

Химия окружающей среды
ВОРОБЬЁВ Д., MSC
2015
Лекция 3
 Химия воды
 Состав и классификация природных вод
 Химия морской воды
Гидросфера
 Гидросфера – это водная оболочка Земли.
 В гидросферу входят все воды суши, а также воды
мирового океана, плюс ледники.
Вода
 Вода – это единственное химическое соединение,
которое в природных условиях существует в виде
жидкости, твердого вещества (льда) и газа (пара).
При нагревании воды от 0о до 4о по шкале Цельсия,
вода сжимается. Благодаря этому в регионах с
отрицательными зимними температурами воздуха в
воде сохраняются пригодные для живых организмов
условия. Когда температура падает ниже 4оС, более
холодная вода, как менее плотная, остается на
поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется
положительная температура.
Природная вода
 Природная вода является ничем иным, как
раствором.
 В природе не бывает чистой(без примеси) воды
 0,01% - 0,1% массы пресной воды приходится на
разного рода примеси.
 90 -95 % от общей солености - это соли анионов
гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов с
катионами металлов калия, магния, натрия и
кальция.
Морская воды
 Это раствор
 Среди
катионов в водах Мирового океана
преобладающими являются в порядке убывания:
натрий — 0,47, магний — 0,053, калий — 0,01,
кальций — менее 0,01 моль/л; из анионов: хлор —
0,55, сульфат-анион — 0,028, ионы — 0,003 моль/л.
НСО3
 Независимо от абсолютных концентраций ионов
количественные со-отношения между главными
компонентами остаются постоянными.
Основные химические элементы,
растворенные газы и их классификация
 компоненты химического состава природных вод делят





на пять групп.
Растворенные газы: основными является кислород и
углекислый газ.
Главные ионы (макрокомпоненты) : K+, Na+, Mg++,Ca++,
Cl-, SO4--, HCO3-, CO3-Биогенные компоненты : NO3-, NO2- NH4+ PO4-3 SiO2.
Микроэлементы : Br, J, Mn, Cu, Ti, B, F, Ba, Li, Ni, Co, Ra
и др.
Растворенные органические вещества, т.е.
органические формы биогенных элементов. Эта группа
включает практически все классы органических
соединений.
Растворенные газы
 Растворенными газами в природной воде преимущественно
являются: кислород и углекислый газ.
 Углекислый газ выделяется при дыхании, разложении органики,
из окружающей среды.
Растворенные газы
 Растворенный кислород находится в природной воде в виде
молекул O2.
 Увеличивают кислород в воде: фотосинтез, поступающие в
водоемы, снеговые и дождевые воды, а также абсорбция из
атмосферы.
 Снижают: окисление органических веществ при дыхании
организмов, разложение органических веществ, окисление ионов
Fe2+, Mn2+, NO2-, NH4+, CH4 , H2S.
 Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением
температуры. Концентрация кислорода определяет величину
окислительно-восстановительного потенциала водной среды. Для
нормального развития рыб необходимо 5 мг/дм3 понижение
содержания кислорода до 2 мг/дм3 вызывает массовую гибель
рыбы.
Макрокомпоненты
 Хлорид-ионы.
Присутствие
хлорид-ионов
объясняется присутствием в породах наиболее
распространенной на Земле соли – хлорида натрия.
 Часто
повышенное
содержание
хлоридов
объясняется загрязнением водоема сточными
бытовыми или промышленными
водами, в
водоемах в городах - обогащением хлоридами
поверхностных вод вблизи крупных транспортных
магистралей.
Макрокомпоненты
 Сульфат-ионы. Главным естественным источником сульфат-ионов в
воде являются процессы химического выветривания и растворения
серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления
сульфидов и серы .
 Значительное количество сульфат-ионов
поступают в водоемы в
процессе окисления органических веществ растительного и животного
происхождения в наземных и водных сообществах.
 Антропогенные источники сульфатов-ионов в водоемах - это в первую
очередь шахтные воды и промышленные стоки производств, в которых
используется серная кислота.
 Сульфаты могут попадать в водоемы
также со сточными водами
коммунального хозяйства и сельскохозяйственного производства.
Растения и бактерии извлекают растворенные в воде сульфаты для
построения белкового вещества.
Биогенные компоненты
 Кроме
нитрат- и нитрит-ионов, важными
биогенными ионами являются ионы аммония.
 Фосфор и его соединения
Азотосодержащие ионы
 Возникновение
Некоторое количество нитратов возникает при электрических разрядах – молниях
 O3 + NO = NO2 + O2
 NO2 + ½ O2 = NO3
 2 NO3 + H2O = 2( H+ ) + 2( NO3 - )
1. При поглощении органикой кислорода образуются углекислый газ, вода, аммиак,
который в свою очередь далее участвует в окислительно-восстановительных
реакциях, конечным продуктом которых будет азот (промежуточными - нитриты
и нитраты).
 CnHaObNc + (n+a/4 – b/2 – 3c/4 ) O2 = nCO2 + (a/2 – 3c/2)H2O + cNH3
 Также засорение водоемов промышленными и хозяйственно-бытовыми отходами
способствует увеличению азотосодержащих компонентов.
 Снижение
концентрации нитрат-ионов в воде происходит в процессе
потребления их фитопланктоном и денитрофицирующими бактериями.
Фосфорные соединения
 Бывает: Фосфор органический, минеральный и виде полифосфатов
 Фосфор
органический - Природные соединения органического фосфора
поступают в природные воды в результате процессов жизнедеятельности и
посмертного распада водных организмов, обмена с донными отложениями.
 Фосфор минеральный. Соединения минерального фосфора поступают в
природные воды в результате выветривания и растворения пород, содержащих
ортофосфаты (апатиты и фосфориты) и поступления с поверхности водосбора
в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов (удобрения, синтетические
моющие средства, добавки, предупреждающие образование накипи в котлах и
т.п.), а также образуются при биологическом разложении остатков животных и
растительных тканей.
 Основной формой неорганического фосфора при значениях pH водоема больше
6.5 является ион HPO42- (около 90%). В кислых водах неорганический фосфор
присутствует преимущественно в виде иона H2PO4-.
Микроэлементы
 Хром отличается широким разнообразием
состояний окисления (от +2 до +6) и способностью
формировать комплексные анионные и катионные
ионы. Токсичное действие хрома увеличивается
с увеличением его валентности . Хром и его
соединения находят широкое применение в качестве
окислителей при органических синтезах, в синтезе
лекарственных средств, в производстве красителей и
т.п.
Микроэлементы
 Важные для понимания экологической роли этого элемента химические





особенности хрома приведены в уравнениях.
В природе хром является распространенным металлом, его оксиды
взаимодействуют с органическими веществами, с активными металлами,
например с двух валентным железом, где железо повышает свою степень
окисления до трех валентного и хром понижается до трех валентного.
Его оксид вступает в реакцию с другими окислителями, например, с
хлором.
Реакция с хлором : 6Cl -+ Cr2O7-2 + 14H+ = 3Cl2 + 2Cr 3+ + 7H2O
Реакция с двухвалентным железом : Fe2+ + Cr2O7-2 + 14H+ = 6Fe3+ + 2Cr3+
+ 7H2O
Реакция с органикой : CnHaObNc + d Cr2O7-2 + ( 8d + c) H + = n CO2 + (a
+ 8d -3c) / 2 H2O + c NH4+ + 2d Cr3+
Органика в воде
 Ультрачистая вода обычно производится многоступенчатой
обработкой водопроводной воды.
 Органические соединения в питающей воде бывают
естественного происхождения и искусственного. Первое из
них представляет собой сложную смесь фульвиновой и
гуминовой кислот и танинов, образующихся при разложении
листьев и травы или торфяной и болотной сред. Кроме того,
в воде присутствуют бактерии, другие живые существа и их
продукты жизнедеятельности.
 Источники искусственных соединений включает отходы
производства (моющие средства, растворители и масла) и
сельского хозяйства (удобрения, гербициды и пестициды).
Комплексные показатели природной
воды
 pH воды - один из важнейших показателей качества
вод. Величина концентрации ионов водорода имеет
большое значение для химических и биологических
процессов, происходящих в природных водах.
 От
величины
pH
зависит
развитие
и
жизнедеятельность водных растений, устойчивость
различных форм миграции элементов, агрессивное
действие воды на металлы и бетон.
 pH воды также влияет на процессы превращения
различных форм биогенных элементов, изменяет
токсичность загрязняющих веществ.
Классификация природных вод по
водородному показателю (рН)
сильнокислые воды
рН < 3
результат гидролиза
солей тяжелых
металлов (шахтные
и рудничные воды)
кислые воды
рН = 3...5
поступление в воду
угольной кислоты,
фульвокислот и других
органических кислот в
результате
слабокислые воды
рН = 5...6.5
нейтральные воды
рН = 6.5...7.5
слабощелочные воды
рН = 7.5...8.5
присутствие гумусовых
кислот в почве и болотных
водах (воды лесной зоны)
наличие в водах Ca(HCO3)2,
Mg(HCO3)2
то же
щелочные воды
рН = 8.5...9.5
сильнощелочные воды
рН > 9.5
присутствие Na2CO3 или
NaHCO3
то же
Химия морской воды.
 Существуют
три основных свойства, которые
определяют специфику хи-мических процессов
морской воды:
 1) высокая ионная сила морской воды, связанная с
соленостью (концентрацией солей);
 2) химический состав морской воды с высоким
содержанием ионов натрия и хлора;
 3)
закон
Дитмара,
согласно
которому
количественные соотношения между главными
компонентами основного солевого состава всегда
постоянны.
Соленость морской воды.
 Соленость воды. Соленость определяется как вес в граммах
неорганиче-ских ионов в 1 кг воды. Измеряется по проводимости
электрического тока (электропроводности).
 Воды открытого океана имеют соленость порядка 32–37 г/л.
Плотность поверхностной соленой воды 1,028 г/см3 при 0 ºС. На
глубине плотность выше. Например, на глубине 5 км плотность
1,05 г/см3, т. е. не на-много больше, чем на поверхности, хотя
давление достигает 500 атм.
 Морская вода, содержащая 3,5 % солей, не имеет температурного
максимума плотности, что является одним из ее важных отличий
от пресной воды. Чем морская вода холоднее, тем тяжелее, вплоть
до температуры –2 °С, когда в ней появляются кристаллы льда.
Соленость морской воды
 Соленость морских вод различна: Балтийское море
— 5 г/л, Черное море — 18 г/л, Красное — 41 г/л,
Мертвое — 260–310 г/л.
 Соленость и ионный состав морской воды
оставались примерно постоян-ными в течение
последних 900 млн лет. Эти данные были получены
при изучении древних морских отложений —
эвапоритов.
 Эвапориты — это соли, которые выпали в
результате испарения воды в бассейнах, отрезанных
от открытого океана.
Ионная сила морской воды.
 Ионная сила. Концентрация ионов солей может
быть выражена в виде ионной силы
 I=1/2Σсizi2
 где I — ионная сила; ci — концентрация ионов,
моль/л; zi — заряд иона.
 Размерность ионной силы — моль/л. Морская вода
имеет очень высокое значение ионной силы, равное
0,7 моль/л. Речные воды имеют на три десятичных
порядка меньше, т. е. 0,5 · 10 моль/л.
–3
Активность
 Свойства морской воды как концентрированной системы существенно
отличаются от свойств идеальных растворов. Поэтому в физико-химии
морских вод необходимо учитывать снижение реакционной способности
ионов путем введения так называемой активности. В теории растворов
рас-сматривают
термодинамическую
активность.
На
практике
применяется более простой подход. Эффективная концентрация ионов
вычисляется с помощью коэффициента активности.
 Активная концентрация равна произведению концентрации, выраженной
в моль/л, на коэффициент активности.
 Морская вода слишком сложная система, чтобы измерить коэффициенты
активности всех ионов. Однако для некоторых они известны. Например,
для Са коэффициент активности равен 0,26, для карбонат-иона — 0,20.
Химический состав неосновных ионов
 В химии морской воды преобла-дают семь основных
ионов. Однако оказалось, что в ней есть и другие
ионы и элементы (практически вся таблица
элементов Менделеева).
 Концентрации растворенных металлов достаточно
малы — обычно порядка наномоль на литр. Наличие
металлов связано с различными источниками.
Химический состав неосновных ионов
 окислительно-восстановительные реакции на океаническом






(морском) дне;
атмосферные процессы;
привнесение ионов металлов с речной водой.
В настоящее время эти процессы активизировались в связи с
антропогенной деятельностью (сжигание угля, плавление
металлов). Химизм растворенных в воде металлов
подразделяется на три класса, описывающие поведение их в
процессах химического круговорота:
консервативный класс;
поведение по типу питательных веществ;
класс реакций выноса (извлечения).
Химический состав и круговорот ионов
 В открытом океане происходят глобальные химические
циклы. Привнос ионов в морскую воду определяется
тремя источниками — это реки, атмосфер-ные осадки и
гидротермальные источники. Для химического
круговорота глав-ных ионов в морской воде важным
индикатором процессов являются времена пребывания
ионов. Эти времена пребывания очень
продолжительны и состав-ляют от 1 000 лет до 100 млн
лет. Расчет времени пребывания основывается на
предположении, что основным источником ионов,
которые привносятся в океан, являются реки и
второстепенные источники — это привносы из
атмосферы и гидротермальные воды из океанических
горных хребтов.
Вынос ионов.
 К основным процессам удаления ионов относят:
 выброс ионов в атмосферу (потоки «море —
воздух»);
 процессы отложения в виде эвапоритов,
химического осаждения карбо-натов,
абиогенного осаждения карбонатов кальция,
опаловых силикатов, сульфидов;
 гидротермальную циркуляцию морской воды
через срединные океанические хребты.
Потоки «море — воздух»
 Потоки «море — воздух» у главных ионов вызваны
разрывами пузырей и ударами волн на поверхности
моря. В результате морские соли выбрасываются в
атмосферу, основная их часть немедленно падает
обратно в море. Другая часть переносится на
большие расстояния и попадает в речную воду.
Считается, что эти переносимые по воздуху морские
соли имеют такой же относительный ионный состав,
что и морская вода. С точки зрения глобальных
запасов пе-реносимые по воздуху морские соли
являются важным стоком из морской воды только
для K и Сl .
+
–
Эвапориты.
 Эвапориты. Испарение воды способствует осаждению составляющих ее
со-лей, так называемых эвапоритных минералов. Осаждение начинается
с наименее растворимых солей и заканчивается наиболее растворимыми.
Когда испаряется 55
 примерно половина (47 %) объема воды, выпадает СаСО3. Затем при
приблизи-тельно четырехкратном увеличении солености выпадает СаSО4
· 2Н2О (гипс).
 Когда испаряется около 90 % воды, при концентрациях растворенных
солей около 220 г/л выпадает NaСl. Затем начинают кристаллизоваться
некоторые соли магния (Мg2+). Если процесс испарения продолжается,
выпадают высокорастворимые соли калия (K+). В настоящее время
процесс накопления эвапоритных минералов в значительной степени
слабее, чем в доисторические времена.
Гидротермальная циркуляция
 Гидротермальные
реакции как источники главных ионов играют
сравнительно небольшую роль. Химия гидротермальных флюидов
показывает, что взаимодействия «базальт — морская вода» в районах
горячих источников являются источником некоторых элементов Са2+ и
силика-тов, которые отрываются от океанической коры и впрыскиваются
в морскую воду. Кальций выщелачивается, по-видимому, из кальциевых
полевых шпатов (анортита), тогда как силикаты могут выщелачиваться из
любого разрушающе-гося силиката, входящего в состав базальта. Это
обеспечивает 35 % поступления этих ионов от объема поступлений с
речными водами. Протекают также гидротермальные реакции с участием
сульфатов калия. В частности, установ-лено, что осаждение SО4 (в виде
ангидрита (СаSО4)) происходит как в коре из нисходящей
просачивающейся морской воды, так и на участках гидротермаль-ных
выходов.
 Все эти процессы обеспечивают циркуляцию ионов и таким образом реализуется химический круговорот ионов в природе.
Использованная литература
 Андруз, Д. Введение в химию окружающей среды




[Текст] / Д. Андруз, П. Бримблекумб, Т. И. Джикелз,
П. Лисс. — М. : Мир, 1999. — 272 с.
2. Астафьева Л. С. 2006. Экологическая химия. -,
Издательский центр »Академия», Москва.
3. Голдовская, Л. Ф., 2007. Химия окружающей
среды.- Издательство Мир, Москва.
4. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для
вузов / Н.Л. Глинка. - М.: КНОРУС, 2009. - С. 568 575.
Просто о сложном…, 2015: http://prosto-oslognom.ru/chimia/18_chim_reak.html