Общие свойства воды

Общие свойства воды. Вода в силу популярности ее 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 не растворяет.

Это очень важно для всех живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно мало измененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, взаимодействуя 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 еще не удавалось получить ни в одном из ее 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 гл. От нескольких единиц до десятков граммов на литр колеблются содержание солей в морской воде например, в Балтийском море их всего 5 гл, в Черном 18, а в Красном море даже 41 гл. Солевой состав морской воды в основном на 89 слагается из хлоридов преимущественно хлорида натрия, калия, 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, 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 мгл. 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 ее высокое поверхностное напряжение 72,7 эргсм2 при 20С. В этом отношении из всех видов жидкостей вода уступает только ртути. Подобное свойство воды во многом обусловлено водородными связями между отдельными молекулами H2O. Особенно наглядно проявляется поверхностное напряжение 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 объяснении природы смачивания энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовать дополнительные связи с чужими атомами кислорода. Смачивание и поверхностное натяжение лежат в составе явления, названного капиллярностью в узких каналах вода способна подниматься на высоту гораздо большую, чем та, которую позволяет сила тяжести для столбика данного сечения.

В капиллярах вода обладает поразительными свойствами. Б.В. Дерягин установил, что в капиллярах вода, сконденсировавшаяся из водяного пара, не замерзает при 0 и даже при снижении температуры на десятки градусов. Молекулы воды отличаются большой термической устойчивостью, при деструкции по схеме 2H2O 2H2 O2 2245,6 КДж. Начинается при температурах выше 1000С, и при 2000С составляет лишь 1,8. При 5000С водяной пар со взрывом нацело разлагается на водород и кислород.

Вода относится к слабым электролитам H2O H OH- H OH- Kдисс H2O 1, 810-16 Вода весьма реакционно-способное вещество может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Так, под действием сильных восстановителей вода проявляет окислительные свойства на холоде окисляет щелочные и щелочноземельные металлы, а при температуре накаливания железо, углерод и др. 2Na 2H2O 2NaOH H2 2Fe 4H2O Fe3O4 4H2 Под действием сильных окислителей фтор, хлор, электрический ток воды проявляет восстановительные свойства. Так, реакцию взаимодействия со фтором можно представить следующим образом 2F2 2H2O 2H2F2 O2 Существует три типа присоединения воды к молекулам других веществ по ионному, координатному и адсорбционному типу. Присоединение по ионному типу происходит к оксидам щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов, а также к кислотным оксидам CaO H2O CaOH2 P2O5 3H2O 2H3PO4 Вода, присоединяемая по ионному типу, называется конституционной. Она удаляется при нагревании с большим трудом.

Так отщепление от едкого натра начинается при 1388С 2NaOH Na2O H2O К ионам металлов комплексообразователей присоединение идет по координатному принципу CaCl2 CH2O CaH2O6Cl2 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 абсорбционному типу, называется гигроскопической она удаляется легче, чем кристаллизационная. Ионный состав природных вод. Происходящее в почвах окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации е через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей типа СаСО3 H2O СO2 СаНСОз2 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, Са2, Mg2, замещая их эквивалентным количество других ионов Na, К. Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция.

Силикатные и алюмосиликатные породы граниты, кварцевые породы и т.д. почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты. Наиболее распространенными в природных водах являются следующие ионы С1 SO4 НСО3, СО3 Na, Mg2, Са2, 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, СаСО3. Лучшая растворимость 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 рН в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод, в связи с меньшим содержанием в них углекислоты, рН 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 FeS2 4O2 Fe2 2SO42 а при действии угольной кислоты карбонат железа FeS2 2Н2СОз Fe2 2НСОз H2S S. Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой кислоты. При рН 8 кремниевая кислота находится практически в недиссоциированном виде при рН 8 кремниевая кислота присутствует совместно с HSiO3 , а при рН П - только HSiOз. Часть кремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2H2O , а также в виде поликремневой кислоты XSiO2H2O. В природных водах присутствуют также Аl3, Mg2 и другие катионы. Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и органические и грубодисперсные 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 торфяников, 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. Паро-образованная 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 - 300С. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением.

Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и фильтрационную способность. Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении кристаллических решток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической рештки. Гипс, например, содержит две молекулы воды CaSО42H2О. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит CaSО4. Известно, что при температуре около 4С вода имеет максимальную плотность 1,000 гсм3. При 100С е плотность - 0,958 гсм3, при 250С - 0,799 гсм3. За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретых подземных вод. Принято считать, что вода практически несжимаема.

Действительно, коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долю первоначального объема уменьшится объм воды при увеличении давления на 1 ат, очень мал. Для чистой воды он равен 5 10-5 1ат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике.

За счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды в противоположном направлении. Плотность подземных вод зависит также от их химического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к 1 гсм3, то плотность концентрированных рассолов достигает 1,3 - 1,4 гсм3. Повышение температуры приводит к значительному уменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие поры. Подземные воды исключительно разнообразны по своему химическому составу.

Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду с низким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л а в одной из скважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 гл. Загрязнение. Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ.

Одним из видов загрязнения водоемов является тепловое загрязнение. Электростанции, промышленные предприятия часто сбрасывают подогретую воду в водоем. Это приводит к повышению в нем температуры воды. С повышением температуры в водоеме уменьшается количество кислорода, увеличивается токсичность загрязняющих воду примесей, нарушается биологическое равновесие. В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться болезнетворные микроорганизмы и вирусы.

Попав в питьевую воду, они могут вызвать вспышки различных заболеваний. В ряде регионов важным источником пресной воды являлись подземные воды. Раньше они считались наиболее чистыми. Но в настоящее время в результате хозяйственной деятельности человека многие источники подземной воды также подвергаются загрязнению. Нередко это загрязнение настолько велико, что вода из них стала непригодной для питья. Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство.

Наиболее водоемкие отрасли промышленности - горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 всей воды, затрачиваемой в промышленности. Главный же потребитель пресной воды - сельское хозяйство на его нужды уходит 60-80 всей пресной воды. В современных условиях сильно увеличиваются потребности человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Объем потребляемой воды для этих целей зависит от региона и уровня жизни, составлял от 3 до 700 л на одного человека, в Москве, например, на каждого жителя приходится около 650 л, что является одним из самых высоких показателей в мире. Из анализа водопользования за 5-6 прошедших десятилетий вытекает, что ежегодный прирост безвозвратного водопотребления, при котором использованная вода безвозвратно теряется для природы, составляет 4-5. Перспективные расчеты показывают, что при сохранении таких темпов потребления и с учетом прироста населения и объемов производства к 2100 г. человечество может исчерпать все запасы пресной воды. Уже в настоящее время недостаток пресной воды испытывают не только территории, которые природа обделила водными ресурсами, но и многие регионы, еще недавно вчитавшиеся благополучными в этом отношении.

В настоящее время потребность в пресной воде не удовлетворяется у 20 городского и 75 сельского населения планеты.

Вмешательство человека в природные процессы затронуло даже крупные реки такие, как Волга, Дон, Днепр, изменив в сторону уменьшения объемы переносимых водных масс сток рек. Используемая в сельском хозяйстве вода по большей части расходуется на испарение и образование растительной биомассы и, следовательно, не возвращается в реки. Уже сейчас в наиболее обжитых районах страны сток рек сократился на 8, а у таких рек, как Дон, Терек, Урал - на 1 1-20. Весьма драматична судьба Аральского моря, по сути, прекратившего существование из-за чрезмерного забора вод рек Сырдарьи и Амударьи на орошение.

Ограниченные запасы пресной воды еще больше сокращаются из-за их загрязнения.

Главную опасность представляют сточные воды промышленные, сельскохозяйственные и бытовые, поскольку значительная часть использованной воды возвращается в водные бассейны в виде сточных вод. Загрязнение поверхностных вод. Качество воды большинства водных объектов не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию увеличения числа створов с высоким уровнем загрязненности более 10 ПДК и числа случаев экстремально высокого содержания свыше 100 ПДК загрязняющих веществ в водных объектах.

Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека. Службы санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод. Около 13 всей массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах, в том числе и в Москве.

В связи с этим проводится гиперхлорирование воды, что, однако небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.

Одним из основных загрязнителей поверхностных вод является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества.

Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мгл при ПДК - 0,1 мгл. Эти вещества могут образовывать в водомах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1-2 мгл. Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в отдельных регионах страны - аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метил меркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносился в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий.

Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения. Расширенное производство без очистных сооружений и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями.

Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий-производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками. Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений азота, фосфора, калия, вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками.

Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме.

Вначале в таком водоеме резко увеличивается количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм организмов.

Водоем постепенно умирает. Современный уровень очистки сточных вод таков, что даже в водах, прошедших биологическую очистку, содержание нитратов и фосфатов достаточно для интенсивного эвтрофирования водоемов. Эвтрофизация - обогащение водоема биогенами, стимулирующее рост фитопланктона. 0т этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски.

Во многих водных объектах концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, установленные санитарными и рыбоохранными правилами.