ЛЕКЦИЯ № 2. Составляющие гидросферы

Цели:

1.Формирование знаний о основных гидрохимических процессах, приемах классификации вод

2.Систематизация знаний о физико-химических процессах в прродных водах

2. способность организовывать сотрудничество обучающихся, поддерживать активность и инициативность, самостоятельность обучающихся, их творческие способности» (ПК-7

3. Формирование знаний по оценке современного состояния отдельных геосфер или их частей, прогноза изменения их состояния в условиях антропогенного воздействия, разработки мероприятий по снижению уровня воздействия на геосферы или их составные части.

 

Содержание

Химия элементов континентальных вод. Строение. Физические процессы. Химические процессы. Осаждение карбонатов. Жесткость воды. Самоочищение. Процессы растворения твердых веществ в природных водах. Щелочность природных вод. Окислительно-восстановительные процессы в гидросфере. Классификации природных вод. Физико-химические основы очистки сточных вод. Баланс запасов главных ионов морской воды. Антропогенное воздействие на главные ионы в морской воде.

 

Интерактивная форма: Учебная дискуссия о роли окислительно-воссстановительных процессов в водной среде

 

Под понятием гидросферы объединяют все виды природных растворов, всю воду, находящуюся в трех различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном), и воду, которая входит в состав химических соединений.

В большинстве своем природные воды представляют собой неравновесные, открытые (с точки зрения термодинамики) системы. Исключение составляют лишь отдельные ограниченные объемы подземных вод. Однако для описания процессов, протекающих в природных водах, часто используют законы равновесной термодинамики. Водная оболочка составляет 0,025 % (0,25 10^–3) массы Земли. Объем гидросферы 1375 10⁶ км³. Океаны покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю глубину 3,96 км. В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 миллионов тонн твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ: Cl – 55,07 %, Na – 30,62 %, Mg – 3,68 %, S – 2,73 %, Ca – 1,18 %, K – 1,10 %, Br – 0,19 %, C – 0,08 %, Sr – 0,02 %, B – 0,01 %.

 

Основное количество воды на Земле содержится в Мировом океане (табл. 1.).

Таблица 1.

Мировые запасы _ воды

Вид природных вод	Объем, км	Доля, % от общих мировых запасов воды
Мировой океан		96,5
Подземные воды	23400 000	1,7
Преимущественно пресные подземные воды		0,76
Почвенная влага		0,001
Ледники и постоянный снежный покров		1,74
Воды в пресных озерах		0,007
Воды в соленых озерах		0,006
Воды в руслах рек		0,0002
Биологическая вода		0,0001
Вода в атмосфере		0,001
Общие запасы воды
Запасы пресной воды		2,53

Осадочные породы составляют до 75% поверхности Земли с приблизительным содержанием растворимых солей 5,8%. Полынов Б.Б. подразделяет элементы по степени миграции: энергично выносимые хлор, бром, йод, сера; легко выносимые натрий, калий, магний, кальций; подвижные фосфор, марганец; слабо подвижные железо, алюминий.

Минерализация воды является результатом процесса выветривания полевых шпатов:

K₂O·Al₂O₃ ·6SiO₂ ортоклаз+2CO₂+3H₂O=2KHCO₃+ Al₂O ·SiO₂ ·2H₂O каолинит +4 SiO₂кварц

окисления отложений сульфидов:

2FeS₂ пирит +7O₂+2H₂O=2FeSO₄+2H₂SO₄

реакций обмена:

CaSiO₃+2H₂CO₃= Ca(HCO₃)₂+SiO₂ ·H₂O

Магний попадает в природные воды за счет растворения доломита МgCO₃ ·Ca CO₃, мергелей (используются для производства керамзита). Натрий при растворении осадочных пород, выветривании коренных пород. Климат создает общий фон в процессах формирования состава вод и определяет степень их минерализации. С ростом минерализации доминирующая роль меняется в следующей последовательности: SiO₃^2-_, HCO₃^-, SO₄^2-, Сl^-. Ca²⁺,Na⁺,Mg²⁺ постоянен.

Озеро Байкал 23615,39 км3 около 19 % мировых запасов озерной пресной воды — во всех пресных озёрах мира содержится 123 тыс. км³ воды). Прозрачность 40м. Средняя глубина озера также очень велика — 744,4 м. Кроме Байкала на Земле только два озера имеют глубину более 1000 метров: Танганьика (1470 м) и Каспийское море (1025 м). Два бумажных комбината сбрасывая сточные воды до нормативных показателей очищают их 15% общего стока.

Вода является смесью. Причиной этого является то, что водород представлен в природе тремя изотопами: протий атомн. масса 1, дейтерий атомн. масса 2, тритий атомн. масса 3. 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: их соотношение таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18. Если подсчитать все возможные различные соединения с общей формулой Н₂О, то общее количество возможных «тяжёлых вод» достигнет 48. Из них 39 вариантов — радиоактивные, а стабильных вариантов всего девять:

Н2 16O, Н217O, Н218O, HD16O, HD17O, HD18O, D216O, D217O, D218O.

Классической водой следует считать протиевую воду 1H216O в чистом виде, то есть без малейших примесей остальных 134 изотопных разновидностей. В 1 т речной воды присутствует около 150 г тяжелой. В океанской воде ее чуть больше: на 1 т приходится 165 г. В озерах тяжелой воды обнаружено на 15-20 г больше, чем в реках, из расчета на 1 т. Дождевая вода содержит больше окиси дейтерия, чем снег. Тритий зарождается в сверхвысоких слоях атмосферы в основном при бомбардировке ядер азота и кислорода нейтронами космического излучения. В природной воде содержание трития ничтожно - всего 10-18 атомных процента. Всего трития на Земле содержится около 25-30 кг. Тритий – β радиоактивен, период полураспада равен 12,26 года, протий и дейтерий стабильны. В воде преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды Н12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%). В тонне речной воды содержится 150 г тяжелой воды (Д₂О). За 70 лет потребления 3 л питьевой воды в день через организм человека пройдет около 80 тонн воды, содержащей 12 кг дейтерия и значительное количество коррелирующих с ним радиоактивных изотопов водорода и кислорода. В природных водах соотношение между тяжёлой и обычной водой составляет 1:5500 (в предположении, что весь дейтерий находится в виде тяжёлой воды D2O, хотя на самом деле он частично находится в составе полутяжёлой воды HDO), а чтобы обнаружить один атом трития, надо иметь по крайней мере 1018 атомов 1H.

Основные физические показатели легкой, тяжелой и сверхтяжелой воды

Вода	Химическое обозначение	Молекулярный вес	Температура,°С плавления/кипения	Плотность, г/см^3
Легкая	Н1 2О16		0 100	1,00
Тяжелая	Н1 2О16 (Д2О)		3,8 101,42	1,11
Сверхтяжелая	Н1 2О16 (Т2О)		9 104	1,33

Аномальные свойства воды

Общие запасы воды на Земле составляют 1385984610 км³. Но не в связи с огромным количеством, а исключительно благодаря ряду аномальных характеристик соединение водорода с кислородом Н₂О выделено в самостоятельную земную оболочку. Вода покрывает большую часть поверхности нашей планеты, из нее в основном состоят почти все живые существа. Свойства воды настолько важны для живых организмов, что известная нам форма жизни без нее вообще невозможна. Уникальные свойства воды объясняются структурой ее молекул: атом кислорода связан ковалентно с двумя атомами водорода, молекула изогнута под углом, в вершине которого и находится кислород. Из-за того, что кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, молекула воды всегда полярна: кислород частично заряжен отрицательно, водород — положительно, поэтому молекула воды удерживается водородными связями. Когда вода находится в жидкой фазе, эти слабые связи легко рвутся и разрушаются при столкновениях молекул, тем не менее водородные связи играют большую роль, обеспечивая особое значение воды для жизни.

Тепловые свойства воды уникальны для обеспечения жизни. Испарение требует значительной траты энергии, так как температура кипения воды достаточно высока. Скрытая теплота испарения (количество теплоты, необходимой для превращения воды в пар или преодоления сил молекулярного сцепления в воде, обусловленных водородными связями) необычайно велика относительно других веществ. Ее приходится брать из среды, и испарение воды сопровождается охлаждением. Пример — потоотделение у животных или тепловая одышка у млекопитающих или рептилий (сидят на солнцепеке с разинутым ртом). Относительно большая энергия требуется воде и при плавлении (таянии льда). И наоборот, при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания и клеток, и их окружения. Кристаллизация воды в клетках губительна для жизни, и большая теплота плавления обеспечивает стабильность внешних условий, т.е. жизнедеятельности.

Плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твердом, и лед не тонет в ней. Кроме воды таким свойством обладают лишь висмут и чугун. Так как плотность воды при температуре от 4 до 0°С понижается, лед образуется сначала у поверхности воды и только под конец — около дна. Это обеспечивает сохранение жизни в водоемах: лед покрывает толщу воды, как одеяло, и тает быстрее, находясь на поверхности. Слои воды при температуре, меньшей 4°С, поднимаются вверх, перемешиваются и переносят питательные вещества по всей толще, что позволяет распространяться живому на больших диапазонах глубин. Высокая теплопроводность воды, достаточно высокие температуры кипения и замерзания, понижение температуры тел при испарении воды с их поверхности — все это важно для стабильности условий жизни. Даже тот факт, что плотность воды максимальна при температуре 4 °С, что несколько выше точки ее замерзания (т.е. при охлаждении от 4 до О°С вода расширяется), и лед легче жидкой воды, играет важную роль — предотвращает образование кристаллов в клетках и не повреждает ткани. Низкая плотность льда спасает водных животных — лед плавает на поверхности и не допускает холодный воздух вглубь, где находятся живые организмы. Поэтому вода является вместе с растворенными в ней солями необходимой средой для химических процессов, составляющих жизнь.

Из-за большой теплоемкости воды требуется большое количество энергии даже для небольшого повышения ее температуры. Объясняется это тем, что энергия расходуется на разрыв водородных связей, обеспечивающих ее «клейкость». Поэтому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью. Вода служит стабильной средой обитания, обеспечивая значительное постоянство внешних условий.

Она обладает большим поверхностным натяжением. Полярные молекулы притягиваются любой поверхностью, несущей электрический заряд, отсюда ее способность подниматься по тонкой трубке или порам, называемая капиллярностью (адгезия). У воды самое большое поверхностное натяжение по сравнению с другими жидкостями — сильное сцепление между молекулами.

Вода — активный участник процессов метаболизма. При фотосинтезе она — источник водорода, участвует в реакциях гидролиза. Вода — наиболее важный по объему компонент тканей животных и растений: она является средой, в которой происходят все биохимические реакции, и одновременно их участником. Было установлено, что фазовые переходы в воде могут управлять скоростью протекания биохимических реакций.

Все наземные организмы приспособились к добыванию и сбереганию воды (увеличение осмотически активных веществ в клетке, кутикула).

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4⁰С. Так, при 0⁰С дистиллированная вода имеет плотность 0,999841 кг/м³, при 25⁰С -0,9977047 кг/м³, а при 4^ºС плотность дистиллированной воды составляет 0,999973 кг/м³. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4^ºС, как более тяжелый опускается на дно водоема, вытесняя более теплые и легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоем охладится до 4 ^ºС, будет охлаждаться только поверхностный слой, который как более легкий будет оставаться на поверхности водоема. Лед легче воды, и он будет плавать на поверхности водоема. Лед и покрывающий его снег являются хорошей защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью. Так, например, свежевыпавший снег при температуре 273 К имеет теплопроводность 90-10 Вт/(м·К), а теплопроводность уплотненного снега близка к теплопроводности строительного войлока, которая равна 44-10^-3 Вт/(м-К). Это способствует сохранению жизни в водоемах средних и высоких широт в зимнее время года. С увеличением давления температура замерзания воды сначала понижается до - 5⁰С при 615 ат, а выше 2000 ат она возрастает. Очень чистую воду можно переохладить до - 72⁰С. Диссоциация водяного пара происходит при температурах свыше 1000⁰С. Природные воды имеют следующий изотопный состав

Теплоемкость воды.

Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода, При 273 К она равна 75,3 Дж/(моль-К). Благодаря огромной теплоемкости воды океаны сглаживают колебания температуры, и перепад температур от экватора до полюса в Мировом океане составляет всего 30 К.

Удельная энтальпия плавления. Значение удельной энтальпии плавления воды, равное 6,012 кДж/моль при 273 К, является наиболее высоким среди твердых и жидких тел, за исключением аммиака и водорода. Благодаря высокой теплоте плавления на Земле сглаживаются сезонные переходы; весну и осень в средних и высоких широтах можно рассматривать как сезон фазовых переходов воды. Сравнительно легко нагреваясь или охлаждаясь до 0^ºС, вода, снег и лед для перехода в другое агрегатное состояние требуют значительных расходов энергии, поэтому эти переходы обычно растягиваются во времени. Следует отметить, например, что при замерзании 1 м³ воды выделяется столько же тепла, сколько при сжигании примерно 10 кг угля.