Chemia wody wykłady i zagadnienia 1-5

CHEMIA WODY

Bardzo dużo materiału więc by znaleźć to co nas interesuje proponuję użyć szukajki. Należy wejść w posta, czyli klikamy jego tytuł, następnie wciskmy Ctr + f i wpisujemy szukaną frazę...inaczej może być ciężko;)

1. Rola wody w tworzeniu klimatu ziemskiego.

Cząsteczki wody są nieliniowe, a wiązania pomiędzy wodorem a tlenem są silnie spolaryzowane, dlatego woda ma trwały moment dipolowy. Taka budowa pozwala na pochłanianie szerokiego spektrum promieniowania, przy czym cząsteczka jest wprowadzana w wibracje i rotacje. Analiza danych spektroskopowych oraz zastosowanie modeli atmosfery ziemskiej pozwoliły oszacować, iż woda jest odpowiedzialna za ok. 60% efektu cieplarnianego, podczas gdy dwutlenek węgla stanowi jedynie 26%. Z wyliczeń wynika również, że efekt cieplarniany jest w 8% spowodowany przez ozon oraz w 8% przez metan i tlenek azotu, będące głównie pochodną działalności człowieka. Woda uczestniczy w zjawisku pozytywnego sprzężenia zwrotnego, gdzie wzrost temperatury wzmaga parowanie a tym samym wzrost ilości cząsteczek wody w atmosferze. Zwiększona ilośc pary wodnej prowadzi do zwiększonej absorpcji promieniowania podczerwonego przez atmosferę i w konsekwencji do dalszego wzrostu temperatury. I koło się zamyka. Para wodna jest elementem cyklu hydrologicznego w atmosferze ziemskiej, który determinuje pogodę i klimat. Cyrkulacja wód oceanicznych pomaga w rozprowadzeniu ciepła z obszarów międzyzwrotnikowych do innych regionów ziemi. W wyniku parowania para wodna trafia prosto do atmosfery. Dzięki prądom atmosferycznym przemieszcza się, ochładza, a następnie skrapla się i spada jako deszcz. Daje się zauważyć, że na przestrzeni dziejów właśnie odpowiednio ukształtowany obieg wody ma decydujący wpływ na atmosferę i klimat panujący na odpowiedniej szerokości atmosferycznej. Wynikiem tego obserwujemy na Ziemi:

-klimat suchy

-klimat mokry

Tak samo płynące prądy oceaniczne sprawiają, że mamy na Ziemi miejsca cieplejsze i chłodniejsze, wilgotne i suche. Oceany mają znaczny wpływ na współczesny klimat .Na przykład powierzchniowe, dryftowe prądy morskie, takie jak Golfsztrom, przenoszą ze sobą ogromne ilości ciepła z niskich szerokości geograficznych do rejonów chłodniejszych, ogrzewając w ten sposób sąsiadujące z nim powietrze. Inne prądy powierzchniowe niosą zimną wodę w kierunku równika, która działa ochładzająco na atmosferę. Gdzie indziej, szczególnie na zachodnich wybrzeżach kontynentów, wiatry powodują odpływ wód powierzchniowych, a wtedy zimne wody głębinowe zastępują je, również powodując ochładzanie się atmosfery.

Głębinowe prądy morskie oddziałują na długo okresowe zmiany klimatu. W większości oceanów wody powierzchniowe charakteryzuje wyższa temperatura i mniejsza gęstość niż wód położonych głębiej. Dlatego utrudnione jest przemieszczanie się wód powierzchniowych do strefy głębokiego oceanu. Tylko w niektórych regionach, szczególnie w okolicach Antarktydy oraz północno - zachodniego Oceanu Atlantyckiego, występują specyficzne warunki parowania (zwiększające zasolenie wody), gdzie zimowe ochłodzenie prowadzi do zwiększania się gęstości wody i tym samym umożliwia pionową wymianę wód morskich. Ten proces formowania się wód głębinowych jest nadal nie do końca rozpoznany, lecz niewątpliwie bardzo ważny. Jest to podstawowy proces transportu ciepła i rozpuszczonego węgla z wód powierzchniowych do głębin oceanicznych, gdzie może on pozostawać przez tysiąclecia lub dłużej. Zmiany w dynamice głębinowych prądów morskich mogły stanowić jedną z naturalnych przyczyn fluktuacji klimatu w przeszłości, zaś udział tego procesu w magazynowaniu i emitowaniu "nadmiaru" węgla może współoddziaływać z czynnikami antropogenicznymi na zmiany klimatu w przyszłości.

Powierzchnia lodu odbija znaczną część dochodzącego promieniowania słonecznego z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Zatem każda zmiana w ilości lodu i śniegu pokrywającego powierzchnię Ziemi - a niektóre modele klimatyczne sugerują, że pokrywa lodowa Morza Arktycznego może zniknąć w cieplejszym klimacie - spowoduje zmiany w ilości promieniowania słonecznego pochłanianego przez powierzchnię Ziemi.

2. Ziemski cykl hydrologiczny.

Obieg wody nie ma punktu początkowego, ale możemy prześledzić cały cykl poczynając od oceanu. Siłą napędową procesu obiegu wody jest Słońce. Podgrzewa ono wodę w oceanie, ta zaczyna parować i w postaci pary unosi się nad oceanem. Wznoszące prądy powietrzne przenoszą parę wyżej, do atmosfery, gdzie niska temperatura wywołuje proces kondensacji, powstają chmury. Poziome prądy powietrzne, z kolei, przenoszą chmury wokół globu ziemskiego. Drobne cząsteczki wody w chmurach zderzają się ze sobą, powiększają swoją masę i w końcu, w postaci opadu spadają na ziemię. Opadem może być śnieg, który gromadząc się na powierzchni Ziemi z czasem przekształca się w pokrywę lodową i lodowce. Te ostatnie mogą zatrzymać zamrożoną wodę na tysiące lat. W cieplejszym klimacie pokrywa śnieżna zwykle wiosną roztapia się. Część wód opadowych i roztopowych spływa po powierzchni ziemi, tworząc odpływ powierzchniowy. Dociera do rzek i jako przepływ rzeczny podąża w stronę oceanu. Woda spływająca po powierzchni lub przesiąkająca w głąb zasila jeziora słodkiej wody. Znaczna część wody przesiąka, infiltruje do gruntu. Woda utrzymująca się stosunkowo blisko jego powierzchni tworzy odpływ gruntowy, zasilający wody powierzchniowe (i ocean). Część wód gruntowych znajduje ujście na powierzchni Ziemi, gdzie pojawia się w postaci źródeł słodkiej wody. Płytkie wody gruntowe wykorzystywane są przez system korzeniowy roślin. W roślinach woda transpirowana jest przez powierzchnię liści i z powrotem przedostaje się do atmosfery. Część wody infiltrującej do gruntu przesiąka głębiej, zasilając warstwy wodonośne (nasycone wodą warstwy gruntu), które magazynują ogromną ilość słodkiej wody przez długi czas. Jednak po jakimś czasie woda ta dotrze do oceanu, gdzie cykl obiegu wody "kończy się".... och nie – gdzie się "rozpoczyna".

Ziemski cykl hydrologiczny bardzo nierównomiernie rozprowadza wodę po planecie. Zaledwie 6 krajów - Brazylia, Rosją Kanada, Indonezja, Chiny i Kolumbia - posiada połowę wszystkich ziemskich odnawialnych zasobów wody, wynoszących 40 700 km3 (licząc tylko rzeki i wody gruntowe, a nie licząc parowania i emisji przez rośliny).

W cyklu hydrologicznym wyróżnia się:

- fazę atmosferyczną (obejmuje: parowanie wody, przenoszenie pary wodnej w atmosferze i jej kondensację),

- fazę lądową (obejmuje: opad atmosferyczny, odpływ powierzchniowy, wsiąkanie, odpływ podziemny i różne formy retencji wody).

Obieg wody w przyrodzie można opisać za pomocą bilansu wodnego, czyli równania wyrażającego ilościowo zależność między elementami krążenia wody w przyrodzie, przez porównanie ilości wody zasilającej obszar (przychód wody) i ubywającej z niego (rozchód wody). Bilans wodny dotyczy zawsze określonego obszaru (zlewni, dorzecza, zlewiska, kontynentu, globu ziemskiego) i czasu (np. roku hydrologicznego, wielolecia).Wody krążące w przyrodzie w ogólnej swej masie pozostają bez zmian, co oznacza, że cykl hydrologiczny jest zamknięty. Co roku w dużym obiegu wody uczestniczy około 577 tys. km3 wody, co stanowi zaledwie 0,04% zapasów wodnych hydrosfery. Tempo wymiany wody w poszczególnych ogniwach jej obiegu jest różne.  Najszybciej woda wymienia się w atmosferze, bo co 8-10 dni, w rzekach wymiana trwa od 12 do 25 dni, w jeziorach średnio 3 lata, wody podziemne ulegają wymianie w tempie od kilku do 5000 lat, wody Oceanu Światowego ulegają wymianie co 3000 lat, woda zmagazynowana w lodowcach co 8000 lat.

3. Zasoby wodne Polski

Polska należy do krajów o małych zasobach wodnych. Średni roczny odpływ wód powierzchniowych (jeziora, rzeki), łącznie z dopływami z zagranicy, w latach 1951-2000 wyniósł 62,4 km³, w tym z obszaru Polski 54 km³. W przeliczeniu na 1 mieszkańca daje to roczny zasób wód ok. 1,6 dam³ (dam³ = 1000m³).

W krajach europejskich przeciętne zasoby wód powierzchniowych (odpływy) szacowane są na 4,6 dam³/rok na jednego mieszkańca. Jest to średnio prawie 3 razy więcej wody rocznie na każdego mieszkańca, niż w Polsce

Zasoby wodne Polski cechuje duża zmienność sezonowa i nierównomierność rozmieszczenia terytorialnego. Zbiorniki retencyjne mają znikomą pojemność. Mogą one zatrzymać tylko 6% rocznego dopływu wód w Polsce, co nie zapewnia koniecznej ochrony wody przed okresowymi nadmiarami (powodzie), jak też deficytami wody (susze) [1, 3, 4]:

• Opady roczne w mm na obszarze Polski wahają się w granicach od 630 do 670 mm/rok w latach 1995-2002 oraz 540 mm/rok w 2003 r. Odpowiada to objętości wody rzędu 200-210 km³/rok w latach 1995-2002 oraz 168 km³ w r. 2003. Wniosek: łączne zasoby wodne są coraz mniejsze.
• Odpływy wody w km³ z obszaru Polski wyniosły 60-70 km³/rok w latach 1995-2002 oraz 50 km³ w roku 2003. Stanowi to w przeliczeniu na 1 mieszkańca: 1,6-1,9 dam³ w latach 1995-2002, oraz 1,4 dam³ w r. 2003. Wniosek: Jest to tyle wody odpływającej z Polski, ile przypada rocznie na każdego mieszkańca kraju.

• Łączny pobór wody stale maleje. Wyniósł on 12 066 hm³ (hm³ = hektometr sześcienny = 100m*100m*100m = 1 mln m³ wody) w r. 1995 oraz 11 070 hm³ w r. 2003.
• Z tego ze źródeł powierzchniowych (rzeki, jeziora, zbiorniki wodne) 10 100 hm³ w roku 1995, oraz 9 300 hm³ w r. 2003.
• Ze źródeł podziemnych (studnie głębinowe) stale pobieramy ok. 1 700 hm³. Stanowi to ok. 15% rocznego poboru wody w Polsce. To mało, ale są realne możliwości poprawy tego bilansu wodnego.
• Na cele spożywcze i pitne zużywa się coraz mniej wody wodociągowej: 2 500 hm³ w r. 1995 oraz 2 200 hm³ w r. 2003. Wniosek: spadek zużycia pitnej wody wodociągowej jest uzupełniany stałym wzrostem konsumpcji wody mineralnej i innych napojów.

• Zasoby eksploatacyjne wód podziemnych (studnie głębinowe) są coraz większe (nowe poszukiwania) i wzrastają od wartości 15 400 hm³ w r. 1995 do wartości 16 400 hm³ w r. 2003.

 Zasoby wodne naszego kraju są zagospodarowane w bardzo małym stopniu. W 150 istniejących zbiornikach retencyjnych można zmagazynować około 2,5 mld m³ wody, co stanowi zaledwie 4% przeciętnego rocznego odpływu. Największe ze zbiorników są zlokalizowane w rejonach podgórskich Polski południowej.
Podczas dużych wahań przepływów wód, w okresach wezbrań sezonowych, znaczne ilości wody spływają bezproduktywnie, powodując często duże straty powodziowe. Jednocześnie prawie 25% miast ma niewystarczające ilości wody. W dodatku jej jakość jest niewłaściwa. Deficytem wody są zagrożone przede wszystkim miasta liczące ponad 50 tys. mieszkanców, zlokalizowane w 3 makroregionach na południu kraju.

4. Budowa cząsteczki wody, moment dipolowy, wiązanie wodorowe.

Jak wygląda cząsteczka wody? W rzucie na płaszczyznę ma wygląd trójkąta równoramiennego z atomem tlenu w jednym narożu trójkąta i atomami wodoru w pozostałych dwóch. Boki tego trójkąta mają długości: 1,013 x 10^-10m (wiązanie H - O) oraz 1,63 x 10^-10m (średnie odległości między atomami wodoru). Kąt między wiązaniami H - O ma wartość 104° 27’, co odpowiada 1,82 rad. W trzech wymiarach cząsteczka wody ma kształt tetraedru z atomem tlenu w środku i atomami wodoru oraz wolnymi parami elektronowymi w wierzchołkach. W związku z różnicą elektroujemności wodoru i tlenu wiązanie H - O jest wyraźnie spolaryzowane, a cała cząsteczka ma charakter polarny; jest również dipolem. Wartość jej momentu dipolowego wynosi 1,84D. Zgodnie z teorią Paulinga (teoria rezonansu kwantowo-mechanicznego) rzeczywiste wiązania w cząsteczce wody są “wypadkową” czterech struktur rezonansowych: struktury o wiązaniach czysto kowalencyjnych (udział ok.37%), struktury o wiązaniach czysto jonowych pomiędzy kationami wodoru i dwuujemnym anionem tlenu (udział struktury ok. 15%) i 2 struktur o charakterze kowalencyjno - jonowym, w których jedno z wiązań H - O jest wiązaniem jonowym, a drugie kowalencyjnym (udział tych struktur po ok. 24%). Na atomie tlenu znajdują się dwie wolne pary elektronowe. Oznacza to, że cząsteczka wody może tworzyć cztery wiązania wodorowe: dwa przez tlen (a konkretnie przez jego wolne pary elektronowe) i dwa przez atomy wodoru mogące oddziaływać z innymi wolnymi parami elektronowymi. Te wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w asocjaty i za powstawanie struktury lodu

Cząsteczka wody może wykonywać najróżniejsze ruchy. Może się przemieszczać (translacja), może się obracać wokół osi przechodzącej przez środek atomu tlenu (rotacja), a także wykonywać drgania względem wiązania H - O (oscylacje).

W każdym ze stanów skupienia woda, choć ma nadal identyczny skład chemiczny i podobną strukturę (zawsze część cząsteczek jest ze sobą zasocjowanych, co umożliwia wodzie jej ruchliwość), zachowuje się w różny sposób. W stanie lotnym, do temperatur ok. 573K para wodna zachowuje się podobnie jak zwykły gaz. Każda z cząsteczek wody może samodzielnie istnieć; odległości między nimi są wystarczająco duże. Praktycznie jedynymi oddziaływaniami są zderzenia na skutek bezwładnych ruchów cieplnych.

Struktura wody w fazie ciekłej jest czymś pośrednim pomiędzy strukturą lodu i pary wodnej. W temperaturach bliskich temperatury wrzenia cząsteczki wody zachowują się podobnie do cząsteczek pary wodnej; ich ruchy są bezwładne. W temperaturach zbliżonych do temperatury krzepnięcia poszczególne cząsteczki gromadzą się w zbiory (asocjaty) przyjmując strukturę zbliżoną do struktury lodu. Jednak w każdej temperaturze (pomiędzy t_krzepnięcia a t_wrzenia) oddziaływania międzycząsteczkowe są słabsze niż w ciele stałym, lecz silniejsze niż w gazie. Cząsteczki wody w fazie stałej zajmują określone pozycje w strukturze krystalicznej. Ich ruchy ograniczają się do drgań wokół pewnych położeń równowagi.

Cząsteczki w których środek ciężkości ładunku dodatniego nie pokrywa się ze środkiem ciężkości ładunku ujemnego nazywane są cząsteczkami polarnymi. Cząsteczki takie, podobnie jak w fizyce, stanowią dipole elektryczne i posiadają moment dipolowy μ.

W przypadku cząsteczek bardziej złożonych, zmierzony moment dipolowy cząsteczki jest sumą wektorową momentów dipolowych wszystkich wiązań w cząsteczce (sumą wektorową cząstkowych momentów dipolowych pochodzących od wiązań). Znając moment dipolowy cząsteczki i jej kształt można z rachunku wektorowego obliczyć momenty dipolowe wiązań. Dla wody m=1,84D, kąt między wiązaniami H O H wynosi 104^o, czyli:

Wartość momentu dipolowego cząsteczek stanowi ważną informację o ich strukturze np.: moment dipolowy wody stanowi jeden z dowodów jej kątowej struktury, natomiast zerowy moment CO₂ świadczy, że cząsteczka ma budowę liniową. Według interpretacji wektorowej moment dipolowy cząsteczki wody można rozłożyć na dwie składowe, tj. na dwa momenty wiązań, których kierunki są zgodne z kierunkami wiązań i których wektorowa suma równa się momentami dipolowemu cząsteczki wody. Jak wynika z tego rysunku moment dipolowy wiązania OH( OH) można obliczyć z równania (w rad):

H20= 2OH cos 0,92

w którym H20 = mierzony moment dipolowy cząsteczki wody,

OH = moment dipolowy wiązania OH

Duża wartość dipolowego wiązania OH (1,51D) wskazuje na silne spolaryzowanie wiązania między atomami tlenu i wodoru. Polaryzacja tego wiązania oraz asymetria w budowie cząsteczki mają istotny wpływ na polaryzację cząsteczki wody i jej właściwości. Polarność cząsteczki wody jest przyczyną powstawania zjawiska asocjacji i hydratacji. Asocjacja to zjawisko łączenia się cząsteczek w zespoły cząsteczkowe. Przyczyną cząsteczek elektrycznie

Wiązania wodorowe

Atom wodoru łączyć się może normalnie tylko jednym wiązaniem kowalencyjnym. Jednak wodór zdolny jest do utworzenia dodatkowego wiązania wodorowego. Jest to słabe oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy elektroujemnym atomem (akceptorem), a atomem wodoru, który jest kowalencyjnie połączony z innym atomem elektroujemnym (donorem). W wiązaniu tym wodór pełni rolę mostka łączącego dwa elektroujemne atomy.

We wzorach wiązanie wodorowe oznacza się zwykle linią przerywaną:

Istotną cechą wiązań wodorowych jest ich kierunkowość. Najsilniejsze oddziaływanie ma miejsce wtedy, gdy trzy uczestniczące w wiązaniu atomy (donor, wodór i akceptor) położone są na jednej linii. Wiązania wodorowe są silniejsze w wypadku, gdy łączące się cząsteczki rozpuszczone są w niepolarnym rozpuszczalniku. W roztworach o wysokiej polarności oddziaływania są słabsze, ponieważ często pojawiają się wiązania pomiędzy substancją rozpuszczoną, a polarnymi cząsteczkami rozpuszczalnika. Podstawowe znaczenie dla właściwości i budowy wody mają wiązania wodorowe. Powodują one, że silnie oddziałujące między sobą cząsteczki H₂O przechodzić w stan gazowy zaczynają dopiero przy 100° C. Gdyby nie istnienie wiązań wodorowych cała woda na Ziemi znajdowała by się w postaci pary wodnej. Również lód zawdzięcza swoje niezwykłe właściwości tym słabym oddziaływaniom. Każdy atom tlenu łączy się dwoma wiązaniami kowalencyjnymi z atomami wodoru, oraz dwoma wiązaniami wodorowymi z sąsiednimi cząsteczkami.

5. Stany skupienia wody, struktura wody ciekłej, pary, lodu.

Faza stała wody czyli lód, dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych uzyskuje specyficzną, luźną strukturę sieci krystalicznej. W lodzie każdy atom tlenu tworzy jakby cztery wiązania z atomami wodoru, przy czym dwa atomy wodoru są własne, a dwa pożyczone z innych cząstek. Cztery wiązania wodorowe ułożone są w przestrzeni tak, jakby atom tlenu znajdował się w środku czworościanu foremnego, a atomy wodoru w jego narożach. Dzieje się tak, gdyż pożyczone atomy wodoru starają się ustawić jak najbliżej atomu tlenu, przez który są przyciągane, a jednocześnie jak najdalej od innych atomów wodoru, przez które są odpychane. Konsekwencją takiego łączenia się cząsteczek wody jest powstanie sieci krystalicznej o luźnej strukturze przypominające połączone tunele puste w środku. Najmniejszy fragment sieci krystaliczne, który się powtarza nazywany jest komórką elementarną. Wyróżnia się siedem podstawowych układów krystalograficznych. Lód zaliczamy do układu heksagonalnego, w którym atomy tlenu znajdują się w rogach graniastosłupa o podstawie sześciokąta, a w środku nie ma żadnego atomu. Stąd kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii. Gdy krzepnie woda to powstaje jednolita struktura krystaliczna lodu. Gdy w chmurach śniegowych następuje resublimacja pary wodnej, to kryształy mają dużo możliwości wzrostu i tworzą się najprzeróżniejsze kształty, ale zawsze o sześciokrotnej symetrii.
Te dziury w środku tuneli powodują, że gęstość lodu jest mniejsza od gęstości wody i lód pływa po wodzie. Jest to odmienne zachowanie od większości substancji. Prawie wszystkie ciecze, krzepnąc, zmniejszają swoją objętość, więc powstające z nich ciała stałe mają większą gęstość i wtedy toną.

W czasie ogrzewania lodu do temperatur bliskich temperaturze topnienia zwiększone (na skutek dostarczania ciepła) drgania cząsteczek powodują zerwanie coraz większej liczby wiązań wodorowych. W temperaturze 0°C liczba zerwanych wiązań jest tak duża, że lód zamienia się w wodę. Uwolnione cząsteczki wody zapełniają dziury, wskutek czego objętość maleje, a gęstość wody rośnie. Jednak w 0°C nie zostają zerwane wszystkie wiązania wodorowe. W bardzo zimnej wodzie pozostają resztki "tuneli" rozpadających się w miarę wzrostu temperatury. Powoduje to, że gęstość wody początkowo w czasie ogrzewania wzrasta i w temperaturze 4°C osiąga największą wartość, bowiem wtedy całkowicie rozpadają się wiązania wodorowe. Od tego momentu woda zachowuje się już jak normalne ciecze i zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Proces powstawania lodu składa się z kilku etapów. Początkowo wokół jąder krystalizacji tworzą się drobniutkie kryształy w formie dysków, które łączą się ze sobą i powodują powstawanie tzw. igieł lodowych . Igły lodowe łączą się na powierzchni wody i tworzą cienką błonę lodu w formie plam lub cienkiej powłoki. Zamarzająca masa grubieje, powstaje lód wodny. W jeziorach głębokich i o dużej objętości proces powstawania lodu powstaje później, niż w zbiornikach płytkich i o dużej powierzchni lód dzięki temu ze posiada mniejszy ciężar właściwy od wody, pływa po jej powierzchni.

Para wodna powstaje w wyniku parowania wody lub sublimacji lodu. Podczas tego procesu cząsteczka wody odrywa się od cieczy lub ciała stałego i przechodzi do gazu. Takie przejście wymaga dostarczenia energii. Energia ta jest zwykle pobierana z cieczy w postaci ciepła, przez co następuje oziębianie cieczy. Na granicy ciecz - gaz zachodzi też przechodzenie cząsteczek od gazu do cieczy (skraplanie). Dla danej temperatury ustala się równowaga zależna od ciśnienia wywoływanego przez cząstki pary wodnej, tzw. ciśnienie parcjalne, a nie zależy ono od ciśnienia wywieranego przez inne gazy na wodę. Gdy cząstek pary jest mniej, to przeważa parowanie, gdy cząstek jest zbyt dużo przeważa skraplanie.

ZAGADNIENIE 5

Stany skupienia wody

Woda występuje w przyrodzie w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazo­wym, które stanowią oddzielne fazy. Są to więc lód, woda ciekła i para. Różnice między tymi stanami skupienia polegają na różnej wzajemnej odległości cząsteczek, która warunkuje odmienne oddziaływanie między nimi.

W stanie pary odległości między cząsteczkami H2O są znaczne, a siły wzajemnego przyciągania znikome; cząsteczki mają więc swobodę wykonywania ruchów postępowych.

W fazie ciekłej cząsteczki wody znajdują się bliżej siebie niż w fazie gazowej i ich wzajemne oddziaływanie jest większe. Mogą one zmieniać położenie względem siebie, ale tylko w pewnych granicach. Z tej przyczyny ciecze łatwo zmieniają kształt, trudno natomiast objętość.

Cząsteczki H20 w lodzie są umiejscowione sztywno w węzłach sieci krystalicznej i zdol­ne jedynie do wykonywania ruchów drgających i ewentualnej wędrówki po defektach sieci.

ZAGADNIENIE 6 Wykres fazowy wody. Zjawiska związane z przejściami fazowymi.

Przemiany fazowe wody. Parowanie i topnienie

Zmiana temperatury i ciśnienia może powodować zmianę stanu skupienia wody. Lód po ogrzaniu do pewnej temperatury topi się. Przemianę fazy ciekłej w parę nazy­wamy parowaniem, jeżeli zjawisko to zachodzi na powierzchni swobodnej cieczy, wrzeniem zaś, gdy odbywa się w całej objętości cieczy. Przemianę fazy stałej w parę nazywamy sublimacją, pary w ciecz - skraplaniem lub kondensacją, a cieczy w ciało stałe - krzepnięciem lub krystalizacją.

Przemiany między poszczególnymi stanami (przemiany fazowe) można ująć w na­stępujący sposób: w krysztale lodu cząsteczki wody zajmują w przestrzeni ściśle okre­ślone pozycje, znajdują się jednak w stanie ciągłego ruchu oscylacyjnego niezależnie od drgań wewnątrzcząsteczkowych. Liczba cząsteczek we wzbudzonych stanach oscylacyjnych zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Gdy w krysztale lodu znaj­dzie się dostateczna liczba cząsteczek wody w takim stanie wzbudzenia (o takiej am­plitudzie drgań), że będą one zdolne do przemieszczania się (tworzenia defektów), następuje topnienie. Przemiana zachodzi w stałej temperaturze.

Parowanie polega na tym, że zawsze pewna liczba cząsteczek w fazie ciekłej ma energię wystarczającą do pokonania oddziaływań. W miarę wzrostu temperatury zwiększa się liczba takich cząsteczek i rośnie prężność pary nad cieczą. Jeżeli pręż­ność pary zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym, to dochodzi do wrzenia.

Wszystkim przemianom fazowym towarzyszy pochłanianie lub wydzielanie ciepła, zależnie od kierunku przemiany

Krzepniecie

ciało stałe

topnienie

ubytek energii
skraplanie 

gaz ciecz

parowanie

wzrost energii

Z teorii kinetyczno-cząsteczkowej wynika, że średnia energia cząsteczek w stanie pa­ry jest większa niż energia cząsteczek cieczy pozostających w równowadze z parą. Z tej przyczyny proces parowania jest związany z pobieraniem, a proces skraplania - z wy­dzielaniem ciepła. Podobnie proces topnienia wiąże się z pobieraniem, a proces krzep­nięcia (krystalizacji) - z wydzielaniem ciepła. Ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła potrzebna do przeprowadzenia 1 kg lub 1 mola cieczy w parę o tej samej temperatu­rze. Ciepło parowania 1 kg cieczy nazywamy właściwym ciepłem parowania, a ciepło parowania 1 mola cieczy - molowym ciepłem parowania. Molowe ciepło parowania (L) danej substancji jest to ilość ciepła potrzebna do przeprowadzenia jednego mola substancji ze stanu ciekłego w jeden mol pary nasyconej w stałej temperaturze pod ci­śnieniem pary nasyconej. Jest to zatem zmiana entalpii towarzysząca zmianie stanu skupienia, np.:

H₂0_(ciecz) = H₂0_(gaz,_{1013,i25 hPa)} L = AH^O ₃₇₃ = 40,75 kJ-mol ^-1

zwaną także molową entalpią parowania.

Molowe ciepło topnienia (U) danej substancji jest to ilość ciepła potrzebna do izotermicznego i izobarycznego przeprowadzenia jednego mola tej substancji ze stanu stałego w stan ciekły w warunkach równowagi (współistnienia) obu faz. Nazywamy je także molową entalpią topnienia. Molowe ciepło topnienia jest równe ilości ciepła oddanego przez 1 mol cieczy w procesie jej krzepnięcia, a molowe ciepło parowania jest równe ilości ciepła oddanego przez 1 mol pary w procesie jej skraplania.

Przemiany fazowe wody można zatem zapisać tak jak reakcje chemiczne, _.uwzględniając towarzyszące im efekty cieplne:

H₂0 (para) = H₂0ciecz) ^{± L}

H₂0(ciecz) ⁼ H₂0)lód) ^±Lt

których:

L - molowe ciepło parowania (skraplania),

^Lt - molowe ciepło topnienia (krzepnięcia).

Ciepło parowania wody w temperaturze 373,16 K i pod ciśnieniem 1013,25 hPa ■'.ynosi 2261,38 kJ-kg^-1, tj. 40,75 kJ-mol ^{– 1} ciepło topnienia lodu (lub krzepnięcia wody) w temperaturze 273,16 K i pod ciśnieniem 1013,25 hPa wynosi 333,9 kJ kg ^–1 lub 6,02 kJ-mol ^{– 1}

Duże ciepło parowania i krzepnięcia wody w porównaniu do innych cieczy jest wynikiem zjawiska asocjacji cząsteczek H₂O, tj. sił działających między cząstecz­kami. Duże ciepło właściwe wody oraz jej znaczne ciepło parowania i krzepnięcia ma istotne znaczenie dla magazynowania i rozprowadzania energii słonecznej po po­wierzchni kuli ziemskiej. Zadanie to wykonuje woda we wszystkich trzech stanach skupie­nia podczas ciągłego krążenia jej w przyrodzie. Opady atmosferyczne pochłaniają duże ilości ciepła, są więc ważnym regulatorem temperatury naszej planety. Podobnie oceany, które pokrywają większość powierzchni ziemi, działają jako regulatory temperatury: latem wchłaniają nadmiar ciepła dostarczanego przez promieniowanie słoneczne i nie dopusz­czają w ten sposób do zbytniego ogrzania się powietrza, zimą zaś oddają ciepło otoczeniu, które z tego powodu, mimo zmniejszonej intensywności promieniowania słonecznego, nie oziębia się zbyt silnie. Z powodu znacznego ciepła topnienia lodu topnienie wielkich mas śniegu odbywa się wiosną stosunkowo wolno i tylko wyjątkowo, w szczególnie niekorzyst­nych okolicznościach, zdarzają się przy tym katastrofy powodziowe.

Wystarczyłoby, aby ciepło topnienia wody było kilka razy mniejsze, a rozwój życia w strefach klimatu umiarkowanego, gdzie zimą zdarzają się znaczne opady śniegu, byłby niemożliwy; każda wiosna przynosiłaby katastrofę powodzi o nieznanych w na­szych warunkach rozmiarach.

Dzięki dużemu ciepłu właściwemu, ciepłu topnienia oraz ciepłu parowania woda stanowi niezwykle ważny czynnik klimatologiczny.

Równowaga fazowa między lodem, wodą i parą

Przez równowagi fazowe rozumiemy równowagi ustalające się między dwiema lub trzema fazami układu wielofazowego, w którym nie zachodzą reakcje chemiczne. W układzie jednoskładnikowym może ustalić się stan równowagi między dwiema lub trzema fazami. Dwufazowe układy jednoskładnikowe mogą zawierać pozostające ze sobą w równowadze ciecz i parę, ciało stałe i parę oraz ciało stałe i ciecz. W trójfazo­wym układzie jednoskładnikowym ciało stałe pozostaje w równowadze z cieczą i parą.

W rozważaniach nad równowagami fazowymi wielką rolę spełniają diagramy fazowe. Na diagramach tych przedstawia się obszary egzystencji poszczególnych faz, warunki jakie muszą być spełnione dla zachowania równowagi, oraz wpływ różnych parametrów przemiany fazowe. Dla układów jednoskładnikowych uwzględnia się tylko dwa parametry, tj. ciśnienie i temperaturę. Na rysunku 15 przedstawiono wykres równowag fazowych dla lodu, wody pary wodnej w płaszczyźnie (f, p). Krzywa parowania cieczy AB określa prężność pary "nasyconej w zależności od temperatury cieczy. Powyżej tej krzywej znajduje się obszar cieczy, a poniżej obszar pary. Krzywa parowania zaczyna się w punkcie A, odpowiadającym przemianie cieczy w ciało stałe, a kończy się w punkcie B, odpowiadającym :temperaturze krytycznej, W temperaturze krytycznej zanika nagle menisk rozgraniczający fazę ciekłą od gazowej, co jest spowodowane tym, że ze wzrostem temperatury gęstość cieczy maleje, a gęstość pary wzrasta. W stanie krytycznym następuje zrównanie gęstości obydwu faz. Napięcie powierzchniowe cieczy maleje przy tym do zera, w wyniku czego menisk cieczy znika. W stanie krytycznym zacierają się różnice między fazą ciekłą a gazową, a swobodna powierzchnia cieczy przestaje istnieć. Stan krytyczny jest określany przez parametry krytyczne, tj. temperaturę krytyczną (T_c)_t ciśnienie krytyczne (p_c), objętość krytyczną (V_c) lub gęstość krytyczną; parametry krytyczne, podobnie jak temperatury wrzenia i topnienia, są charakterystyczne dla poszczególnych substancji.

Dla wody temperatura krytyczna (T_c) wynosi 647,31 K. Prężność pary istniejąca .v tej temperaturze, tj. ciśnienie krytyczne, wynosi 221293,8 hPa, a gęstość krytyczna 1223 g-cm^-3. Temperatura krytyczna jest tym wyższa, im większe siły działają między :cząsteczkami. Woda, której cząsteczki są dipolami, wykazuje bardzo wysoką temperaturę krytyczną. Powyżej temperatury krytycznej nie można gazu skroplić, nawet jeśli s ę użyje bardzo dużych ciśnień (izotermy nie przebiegają przez obszar współistnienia :ary nasyconej i cieczy). Powyżej temperatury krytycznej ruch cząsteczek jest tak intensywny, że niezależnie od ciśnienia cząsteczki wypełniają całą objętość naczynia, nie tworząc swobodnej powierzchni charakterystycznej dla cieczy. Powyżej temperatury etycznej prężność fazy gazowej zmienia się wraz z temperaturą według praw gazo­wych.

Ze wzrostem temperatury zwiększa się prężność pary nasyconej. Gdy w pewnej :temperaturze prężność pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym, wtedy zachodzi zjawisko parowania w całej objętości, czyli wrzenie. Woda, jak wiadomo, wrze w temperaturze 373,16 K pod ciśnieniem 1013,25 hPa. Ze zwiększeniem ciśnienia ze­wnętrznego podwyższa się temperatura wrzenia cieczy. Aby skroplić parę wodną w temperaturze bliskiej temperatury krytycznej, trzeba zastosować bardzo wysokie ci­ śnienie - około 2,20-10⁷ Pa.

woda

Gaz w temperaturze wyższej od temperatury krytycznej nie daje się skroplić pod żadnym ciśnieniem.

Każdemu punktowi leżącemu na krzywej AB od­powiada stan równowagi dynamicznej między dwiema fazami - tyle samo cząsteczek odparowuje, ile skrapla się. Jeżeli weźmiemy pod uwagę dowolny punkt P znajdujący się na wykresie poniżej krzywej parowania w obszarze pary, to z punktu tego do obszaru cieczy (skraplanie pary) możemy przejść albo przez obniże­nie temperatury (punkt P przesuwamy poziomo w le­wo), albo przez zwiększenie ciśnienia zewnętrznego (punkt P przesuwamy pionowo w górę). Odwrotnie, ciecz możemy zamienić w parę przez odparowanie pod zmniejszonym ciśnieniem lub przez podwyższenie temperatury.

Krzywa krzepnięcia AC odpowiada warunkom współistnienia lodu i wody. Obszar leżący na lewo od tej krzywej odpowiada stałemu stanowi skupienia. Jeżeli stan układu jest określony przez punkt S (faza stała), to podwyższenie temperatury może prowa­dzić do stopienia lodu i przejścia układu na przykład w stan określony przez punkt L. Wzrost ciśnienia zewnętrznego powoduje także stopienie lodu (prosta SL L₁), gdyż ma­leje jego temperatura topnienia. Krzywa AC określa zatem zależność temperatury top­nienia lodu od ciśnienia.

Wpływ ciśnienia na temperaturę krzepnięcia bywa dwojaki w zależności od tego, czy faza stała ma większą gęstość (mniejszą objętość właściwą) od fazy ciekłej, czy też odwrotnie - mniejszą gęstość a większą objętość właściwą.

Lód pływa po powierzchni fazy ciekłej, ma zatem mniejszą gęstość (większą obję­tość właściwą) niż ciecz. Dla tej kategorii substancji wzrost ciśnienia może spowodo­wać stopienie fazy stałej wskutek obniżenia się temperatury topnienia. Krzywa AC jest nachylona w lewo od linii pionowej przechodzącej przez punkt A (rys. 15), W przypadku przeciwnym, tj. gdy faza stała ma większą gęstość niż gęstość fazy ciekłej (np. w ukła­dzie benzen stały-benzen ciekły), wzrost ciśnienia może spowodować przemianę fazy ciekłej w fazę stałą (prosta L₁S, rys. 15) wskutek podwyższenia się temperatury krzep­nięcia. Krzywa AC dla tej kategorii ciał jest nachylona w prawo w stosunku do linii pio­nowej przechodzącej przez punkt A

Przemiany fazowe ciało stałe-ciecz (lub ciecz-ciało stałe) zachodzą zgodnie z re­gułą przekory Jeżeli na układ w stanie równowagi, złożony z lodu i wody, działa czynnik zewnętrzny (np. zwiększamy ciśnienie), to układ ten prze­ciwstawia się temu działaniu (w tym przypadku jest to zmniejszenie objętości). Lód za­tem topi się, a ciekły benzen krzepnie.

Krzywa sublimacji AD (rys. 15) określa stan równowagi fazowej między lodem a parąrą. Prężność pary nad ciałem stałym jest niewielka. Dla lodu w temperaturze "3.16 K wynosi ona 615 Pa i maleje wraz z obniżaniem się temperatury. Szybka sublimacja, czyli bezpośrednia przemiana fazy stałej w parę zachodzi wówczas, gdy ci­enie zewnętrzne jest niższe niż prężność pary nad ciałem stałym.

Wszystkie trzy linie równowag fazowych AB, AC i AD przecinają się w punkcie A, który nazywamy punktem potrójnym. Punkt ten określa warunki współistnienia trzech faz: ciekłej stałej i gazowej w stanie równowagi. W punkcie potrójnym prężność pary nad cieczą jest równa prężności pary nad ciałem stałym, W punkcie potrójnym, zgodnie z regułą faz, liczba stopni swobody równa się zeru - układ taki nazywamy inwariantnym {niezmiennym).

Warunki współistnienia różnych faz i składników układu opisuje prawo Gibbsa, zwane regułą faz, którą w zastosowaniu do układów wieloskładnikowych można sformułować następująco: suma liczby faz i liczby stopni swobody w dowolnym układzie jest równa liczbie składników powiększonej o dwa. Wyrażając jej treść matematycznie, otrzymujemy równanie:

f + s = n + 2 (7)

.'i którym: f- liczba faz, n - liczba składników, s - liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych czynników fizycznych, które mogą być zmieniane dowolnie bez zmiany liczby faz pozostających .v równowadze

Regułę faz zastosowaną do układów jednoskładnikowych (n = 1) można wyrazić wzorem'

f + s = 3 (8)

Ponieważ liczba składników wynosi jeden, dla punktu potrójnego, w którym liczba faz pozosta­jących w równowadze f = 3, liczba stopni swobody s = 0. Oznacza to. że zmiana temperatury lub ci­śnienia układu spowoduje zniknięcie jednej z faz. Z reguły faz wynika również, że jeżeli ciecz znajduje się w równowadze ze swoją parą (rys. 15, krzywa AB), to ciśnienie zostaje jednoznacznie określone wartością temperatury panującej w układzie. Graficznym obrazem stopni swobody w układzie jednoskładnikowym jest powierzchnia zawarta między krzywymi BA i AC, ewentualnie AB, AC i AD. a układu inwariantnego - punkt potrójny A (rys. 15).

Aby osiągnąć stan równowagi trzech faz w układzie jednoskładnikowym, należy ściśle określić ciśnienie (p) i temperaturę (T). Lód, woda i para wodna pozostają ze sobą w równowadze tylko wtedy, gdy temperatura wynosi 273,16 K, ciśnienie zaś (prężność pary wodnej nad lodem i wodą) - 615 Pa. Temperatura punktu potrójnego :wody jest punktem wzorcowym dla skali temperatur.

Oprócz krzywych AB, AC i AD jest jeszcze uwzględniona na wykresie fazowym krzywa AE będąca przedłużeniem krzywej AB (rys. 15). Krzywa AE odpowiada stanowi równowagi pozornej (nietrwałej). Określa ona warunki współistnienia wody przechłodzonej i pary w temperaturach niższych od temperatury topnienia lodu. Prężność pary nad przechodzoną za ciekłą jest większa niż prężność pary nad fazą stałą, trwałą w tym obszarze temperatur, temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia faza ciekła jest fazą nietrwałą. Prze­czeniu zapobiega obecność zarodków krystalicznych w cieczy.

8

GĘSTOŚĆ WODY

Gęstość to parametr, który charakteryzuje "upakowanie" materii w danym ciele. Definiujemy ją jako stosunek masy ciała do zajmowanej przez nie objętości w określonej temperaturze. Ciała stałe mają większą gęstość niż ciecze i gazy. Wraz ze wzrostem temperatury gęstość zazwyczaj maleje. Czysta woda jest wyjątkiem od tej reguły. To jedyna substancja, która osiąga najwyższą gęstość w postaci cieczy. Woda ma bowiem największą gęstość przy temperaturze 4°C. Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody sprawiają, że lód ma bardzo trwałą, uporządkowaną strukturę. W niskich temperaturach woda ma większą gęstość niż lód i dlatego lód pływa w wodzie.  

Dodanie soli do wody powoduje wzrost jej gęstości. Ponadto uniemożliwia tworzenie się wiązań wodorowych. Oznacza to, że woda morska, w przeciwieństwie do czystej wody, nie osiąga największej gęstości w temperaturze 4°C, lecz gdy zamienia się w lód. Oznacza to także, że woda morska zamarza w temperaturze poniżej 0°C. Wykorzystujemy to zimą sypiąc sól na drogi aby zapobiec ich oblodzeniu.

Gęstość wody jest związana ze zmianami temperatury.

Gęstość zwiększa się podczas oziębienia do temp. Około 277,14 K. W tej temperaturze gęstość wody jest największa i wynosi 0,999972+/- 0,000002 kg * m3.Dalsze oziębienie powoduje, że gęstość wody maleje w sposób ciągły; w temperaturze 273,16K, podczas krzepnięcia gęstość zmniejsza się w sposób nieciągły do wartości gęstości lodu.

Zwiększenie gęstości wody podczas topnienia lodu jest wynikiem szybkiego rozpadu jego przestrzennej budowy na mniejsze asocjaty, w których około 85% wiązań wodorowych między cząsteczkami H2O zostaje jeszcze zachowanych w wodzie po stopieniu lodu. Stopniowy rozpad tych luźnych struktur i asocjatów uwarunkowanych wiązaniami wodorowymi powoduje, że gęstość ciekłej wody podczas ogrzewania jej od temperatury topnienia do 277,14K wzrasta, aby następnie ze wzrostem temperatury według ogólnych zasad dylatacji- maleć.

ZJAWISKA ZWIĄZANE Z GĘSTOŚCIĄ WODY

1.CYRKULACJA WODY

W okresie zimy pod wodą istnieje możliwość życia organizmów. Ochładzająca się jesienią woda opada na dno, wypierając cieplejsze warstwy ku górze, Az temperatura w całym zbiorniku osiągnie 277,14K. Wtedy ruch spowodowany zmianą temperatury ustaje.

Kolejnym etapem jest przewodnictwo cieplne i konwekcja , aż górna warstwa zamarza i tworzy taflę lodu na powierzchni gdyż jego gęstość jest mniejsza niż gęstość wody. Utrudnia to w jeszcze większym stopniu wyśmiane cieplną. W głębokich jeziorach i stawach następuje sezonowa cyrkulacja wody. W krajach umiarkowanych tworzą się warstwy wody o różnej temperaturze. Latem wyższa temperatura panuje przy tafli, natomiast zima obserwujemy odwrócone „uwarstwienie” (stratyfikację) i najniższa temperatura jest pod lodem.

Tylko dwa razy w roku kiedy w górnych warstwach zachodzi nagrzewanie się albo oziębianie, następuje wyrównanie się temperatur całej masy wody, spowodowane całkowitym jej wymieszaniem. Ma to ogromne znaczenie w natlenianiu wody jezior.

Temat nr 10

PROCES WZBOGACANIA WÓD W SKŁADNIKI MINERALNE: SKŁAD CHEMICZNY I STRUKTURA MINARAŁÓW, SKŁAD FIZYCZNO - CHEMICZNY GLEBY, PROCESY WIETRZENIA.

1. Procesy wietrzenia:

Wietrzenie - procesem rozpadu i rozkładu skały, którego wynikiem jest zwietrzelina.Jest związany z ruchami powietrza, wód, lodowców, z życiem organicznym i działalnością człowieka, a także z działalnością energii słonecznej. W wyniku wietrzenia dochodzi do rozluźnienia materiału skalnego i w efekcie jego rozdrobnienia.
Tempo wietrzenia zależy od:

• rodzaju skał,
• ilości wody,
• wilgotności powietrza,
• typu klimatu,
• szaty roślinnej.

Wyróżnia się kilka rodzajów wietrzenia:

• mechaniczne,
• chemiczne
• i biologiczne

Mechaniczne wietrzenie (fizyczne) - polega na rozdrabnianiu skały bez zmiany jej składu chemicznego.
Zachodzi pod wpływem:
- nierównomiernego rozszerzania się i kurczenia się minerałów podczas nagrzewania bądź oziębiania skały. Jest to tzw. wietrzenie insolacyjne, będące efektem różnych współczynników rozszerzalności termicznej minerałów, lub wietrzenie eksfoliacyjne, w przypadku skał jednorodnych, gdzie warstwa przypowierzchniowa nagrzewa się szybciej i dochodzi do jej łuszczenia równolegle do powierzchni;
- wody, a szczególnie wilgoci, która wnika w mikroskopowe zluźnienia między kryształami, a następnie bardzo duża cieplna rozszerzalność wody powoduje rozsypywanie się skały na bloki, gruz i ziarna.
- soli, zwłaszcza w klimacie suchym, gdzie parująca woda osadza w szczelinach skalnych sole i tlenki metali, które krystalizując, rozsadzają skały. Proces ten nazywany jest eskudacją.
- mechanicznej działalności roślin (rozrastające się korzenie) i zwierząt (kretów, gryzoni i zwierząt kopytnych).
Wietrzenie chemiczne - polega na zmianie składu mineralnego skały, czyli doprowadza do jej rozkładu, czyli:
- rozpuszczenia (solucji), czyli rozpuszczaniu minerałów pod wpływem wody.
- utlenienia (oksydacji
- uwodnienia (hydratacji), łączenia się niektórych minerałów z wodą.
- uwęglanowienia (karbonatyzacji), polegającego na rozpuszczaniu i wypieraniu przez wodę zawierającą dwutlenek węgla węglanów wapnia, magnezu i żelaza, a także rozkładaniu krzemianów i glinokrzemianów, i przechodzeniu ich w węglany.
 Wietrzenie biologiczne - polega na mechanicznym i chemicznym niszczeniu skał, ponieważ wzrost korzeni powoduje rozszerzanie się szczelin skalnych i pękanie skał, a substancje chemiczne i kwasy organiczne wydzielane przez rośliny, rozpuszczają i rozkładają skały. Również podziemne zwierzęta ryjące przyczyniają się do tego typu wietrzenia. Najszybciej porastają skały glony i porosty, które jako pierwsze wzmagają proces wietrzenia biologicznego.

.

2. Skład fizyczno – chemiczny gleby.

98% składu chemicznego gleby to:

• tlen,
• krzem,
• glin,
• żelazo,
• wapń,
• sód,
• magnez,
• potas,
• wodór.

Pozostałe 2 % to:

• tytan,
• węgiel,
• chlor,
• fosfor,
• siarka,
• mangan.

Skład mechaniczny gleby, skład fizyczny gleby – wyrażona w procentach wagowych zawartość poszczególnych ugrupowań elementarnych cząstek glebowych, określonych na podstawie ich średnic (frakcji granulometrycznych): frakcje grubsze (∅>1 mm), zwane szkieletem glebowym, frakcje drobne (∅<1 mm), czyli części ziemiste.
Na podstawie udziału poszczególnych frakcji wyróżnia się grupy mechaniczne gleb: utwory kamieniste, żwiry, piaski, gliny, utwory pyłowe i iły.

 

3. Skład chemiczny i struktura minerałów.

• Plagioklazy- to szereg minerałów skałotwórczych o składzie mieszanym z grupy skaleni (skalenie sodowo-potasowe).
• Biotyt – K(Mg, Fe)₃(OH, F)₂AlSi₃O₁₀ minerał z gromady krzemianów, tworzy kryształy tabliczkowe i krótkosłupkowe. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, blaszkowych i łuskowych. Zawiera domieszki: tytanu, sodu, litu, baru, strontu, cezu, manganu.
• Kalcyt – CaCO₃ minerał z gromady węglanów. Tworzy kryształy izomeryczne, tabliczkowe, słupkowe, igiełkowe.
• gips – CaSO₄*2H₂0, tworzy kryształy o pokroju tabliczkowym, słupkowym, igiełkowym. Niektóre z nich charakteryzują się podłużnym prążkowaniem. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, grubokrystalicznych łuskowych, rozetowych, włóknistych i proszkowych.
• anhydryt – CaSO₄ ,układ rombowy.
• fluoryt – CaF₂, sześcienne lub ośmiościenne kryształy.
• karnalit –KCl * MgCl₂*6H₂O, układ rombowy.
• magnezyt – MgCO₃, występuje w skupieniach ziemistych, zbitych, ziarnistych, nerkowatych bądź włóknistych.
• dolomit - CaCO₃* MgCO₃, tworzy kryształy izometryczne (romboedry siodełkowato wygięte do góry), czasami tabliczkowe lub słupkowe. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych, naskorupień i żyłek.
• magnetyt - Fe₂O₃, tworzy kryształy o pokroju izometrycznym, najczęściej przyjmujące postać ośmiościanu. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych.
• piryt - FeS₂, tworzy kryształy izometryczne przyjmujące najczęściej postać sześcianów, ośmiościanów, skupienie zbite, ziarniste, skorupkowe, kuliste.
• halkopiryt (chalkopiryt) - CuFeS₂, izometryczny, oktaedry i tetraedry często prążkowane, skupienia ziarniste, zbite, masywne, często tworzy bliźniaki.
• manganit – Mn₂O₃* H₂O, kryształy o pokroju słupkowym, igiełkowym, Występuje w skupieniach ziarnistych, pręcikowych, włóknistych, promienistych.
• bornit - Cu₅FeS₄, kryształ izometryczny o postaci sześcianu, ośmiościanu, bądź ich kombinacji. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych.
• blenda cynkowa – ZnS, tworzy kryształy izometryczne, często występują zbliźniaczenia oraz charakterystyczne prążki na ścianach kryształów. Występuje w formie skupień zbitych, ziarnistych, pylastych, nerkowatych, naciekowych i skorupowych.
• galena- galenit, błyszcz ołowiu, siarczek ołowiu(II), PbS,
• cynober HgS, tworzy kryształy tabliczkowe, rzadziej słupkowe.

To tylko niektóre minerały, reszta (głównie ich skład chemiczny) znajduje się w „Chemii wody i powietrza” E. Gomółki str.161 -211.

12. Wodne układy dyspersyjne

Układem dyspersyjnym nazywamy mieszaninę jednorodną lub niejednorodną składająca się z fazy rozproszonej (rozdrobionej) i rozpraszającej, czyli ośrodka dyspersyjnego. Roztwory właściwe są więc układami molekularno- dyspersyjnymi, w których substancja rozproszona w ośrodku dyspersyjnym wykazuje rozdrobnienie molekularne. Poszczególne cząstki bądź jony fazy rozproszonej są od siebie oddzielone za pomocą ośrodka dyspersyjnego. Zależnie od wielkości rozdrobnienia cząstej fazy rozproszonej w cieczy układy dyspersyjne dzielimy na:

• cząsteczkowo dyspergowane (roztwory właściwe)
• koloidowo dyspergowane (roztwory koloidalne)
• grubo dyspergowane (zawiesiny, inaczej niejednorodne mieszaniny mechaniczne)

Roztwór właściwy - zwany też roztworem rzeczywistym to układ, w którym cząstki substancji rozproszonej mają rozmiary mniejsze od 1 nm (nanometr- 10-9 m)

Pojęcie to zostało wprowadzone aby rozróżnić "prawdziwe" roztwory od roztworów koloidalnych takich jak zoli, emulsji, pian itp). Jeśli w roztworze nie występują cząstki większe niż 1 nm to zazwyczaj świadczy to o tym, że mają one rozmiary zbliżone do pojedynczych cząsteczek danego związku chemicznego.

Definicja ta jest poprawna dla związków chemicznych o niezbyt wysokiej masie cząsteczkowej. W przypadku polimerów, mówimy o występowaniu roztworów właściwych w przypadku gdy w mieszaninie pojedyncze cząsteczki polimeru są od siebie dobrze odseparowane tworząc tzw. kłębki statystyczne. Przy bardzo dużej masie cząsteczkowej kłębki te mogą mieć znacznie większe niż 10-9m rozmiary

Podział ze względu na stan skupienia

Roztwory można podzielić ze względu na ich stan skupienia:

• gazowe (mieszaniny gazów)
• ciekłe
  • cieczy w cieczy
  • ciała stałego w cieczy
• stałe (kryształy mieszane) - powstają podczas krystalizacji

Roztwory gazowe

Wszystkie gazy mieszają się bez ograniczeń ilościowych. Zjawisko to wynika z tego, że odległości między cząsteczkami gazów są duże a oddziaływania międzycząsteczkowe bardzo słabe. Przy dużych ciśnieniach, w gazie mogą rozpuszczać się ciecze i ciała stałe, które przy małych ciśnieniach nie parują, przy szczególnie dużych ciśnieniach roztwory w gazach przybierają właściwości zbliżone do roztworów ciekłych - są to tzw. roztwory nadkrytyczne.

Roztwory cieczy w cieczy

Ciecze nie mieszają się wcale (np. olej i woda), lub jeśli mieszają się, to bez ograniczeń (np. woda i alkohol etylowy) lub w pewnym zakresie. Mieszaniny trzech lub więcej cieczy tworzą często złożone układy fazowe, w których, zależnie od stężenia poszczególnych składników występują momenty, gdy istnieje roztwór jednorodny, gdy powstają dwie fazy, składające się z dwóch różnych roztworów, lub wszystkie trzy składniki całkowicie się rozdzielają. Zachowanie tego typu układów jest często przedstawiane w formie tzw. trójkąta stężeń Gibbsa.

Roztwory ciał stałych w cieczach

Ich powstawanie jest wynikiem możliwości penetracji ciała stałego przez cząsteczki cieczy oraz powstające w trakcie tego procesu oddziaływania między nimi. Reguły, wg których można w miarę łatwo przewidzieć jaki związek chemiczny rozpuści się w jakim rozpuszczalniku, są opisane w haśle rozpuszczalnik.

Roztwory ciekłe ciał stałych posiadają własność nasycania się, dlatego (w zależności od nasycenia roztworu) rozróżniamy:

• roztwory nienasycone
• roztwory nasycone
• roztwory przesycone
• roztwory stałe

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek

Rodzaje układów koloidalnych

Wyróżnia się następujące rodzaje układów koloidalnych:

Ośrodek rozpraszający	Substancja rozpraszana	Rodzaj	Przykład
Gaz	Gaz	Gaz	Powietrze - jeden gaz w innych gazach
	Ciecz	aerozol ciekły	mgła
	Ciało stałe	aerozol stały	dym
Ciecz	Gaz	piana	piana mydlana
	Ciecz	emulsja	lakier do paznokci, mleko, majonez
	Ciało stałe	zol, zawiesina koloidalna (suspensja), roztwór koloidalny	Ag kol w H2O
Ciało stałe	Gaz	piana stała	pumeks, styropian
	Ciecz	emulsja stała	opal
	Ciało stałe	zol stały (pirozol)	szkło rubinowe

Ciało stałe i ciecz przenikające się wzajemnie to żel.

Nie występują układy koloidalne, w których gaz rozproszony jest w gazie (gazy tworzą wyłącznie roztwory rzeczywiste). Ponadto większość układów koloidalnych nazywana jest zolami, przy czym pojęcie zolu jest niejednoznaczne. Podobnie niejednoznaczne jest pojęcie aerozolu.

Układy koloidalne z fazą ciągłą w postaci gazu to gazozole, natomiast z fazą ciągłą w postaci cieczy to liozole.

METODY OTRZYMYWANIA KOLOIDÓW

W celu uzyskania rozdrobnienia koloidalnego stosowane są dwa rodzaje metod:

Metody dyspersyjne, polegające na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych. Należą tu głównie: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad), rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd.

Metody kondensacyjne, polegające na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda zarodnikowa i inne.

METODY OCZYSZCZANIA KOLOIDÓW

Oczyszczanie koloidów od domieszek substancji tworzących roztwory rzeczywiste (ciała krystaliczne i elektrolity) ma duże znaczenie w zapewnieniu trwałości zolu. Do najczęściej stosowanych do tego celu metod należą: dializa, elektroliza, ultrafiltracja, elektrodekantacja i adsorpcja wymienna na jonitach. Jedną z łatwiejszych metod jest dializa. W celu przeprowadzenia dializy woreczek z błony półprzepuszczalnej (kolodium, celofan lub naturalna błona zwierzęca) napełniamy czystym rozpuszczalnikiem (najczęściej wodą) i umieszczamy w naczyniu z zolem. Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do wewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu. Zmieniając stale ciecz wewnętrzną możemy koloid doprowadzić do żądanej czystości. Tak działające urządzenie do doczyszczania koloidów zwane jest dializatorem. Elektrodializa jest połączeniem dializy z elektrolizą a jej przewaga nad dializą polega głównie na większej szybkości oczyszczania (dializę należy prowadzić co najmniej przez kilkanaście dni, podczas gdy elektrodializa już po upływie 2-3 dni daje czysty zol).

WŁAŚCIWOŚCI UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

Właściwości mechaniczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są ruchy Browna. Zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających, fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna można zaobserwować przypatrując się np. cząstkom kurzu oświetlonym cienką wiązką światła w zaciemnionym pomieszczeniu.

Właściwości optyczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest efekt Tyndalla. Polega on na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszczamy wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, mniejszych od długości fali, światło staje się widoczne w postaci smugi świetlnej. Intensywność tego efektu jest tym większa im większa jest różnica między współczynnikami załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Efekt Tyndalla został wykorzystany w konstrukcji ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach koloidów, np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne. Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających rozdrobnieniom koloidalnym możemy obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.

Absorpcja światła. Niektóre układy koloidalne mają silniejszą absorpcję aniżeli rozproszenie światła. Pomiar absorpcji światła jest jedną z metod badania układów koloidalnych, pozwala on na oznaczanie stężenia fazy rozproszonej i na śledzenie przebiegu koagulacji. Barwa układów koloidalnych uwarunkowana jest zarówno przez absorpcję, jak i przez rozproszenie światła. Zależy ona od wielkości, kształtu i stopnia agregacji cząstek fazy rozproszonej. W świetle rozproszonym może być ona inna niż w świetle przechodzącym. Ten sam układ koloidalny może mieć różną barwę w zależności od stopnia rozproszenia.

Właściwości elektryczne. Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne

Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Jeżeli cząstki te są dostatecznie małe, mowa jest o układzie koloidalnym. Gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest na ogół większa niż gęstość fazy rozpraszającej i z tego powodu rozproszone cząstki fazy stałej mają tendencję do s

Sedymentacja zawiesin w wodzie- proces opadania i odkładania się cząsteczek zanieczyszczeń w wodach m.in w ściekach. W wyniku sedymentacji następuje całkowite rozdzielenie faz lub (w przypadku cząstek niewielkich) wytwarza się stan równowagi zwany równowagą sedymentacyjną. Poziom zanieczyszczeń zmniejsza się w wyniku opadania zawiesin na dno zbiornika. Proces ten występuje najczęściej w zbiornikach wód stojących lub o słabym przepływie wody.

13. Kształtowanie się składu wód od opadowych do podziemnych.

Wody opadowe- atmosferyczne

Powstają w wyniku skraplania się pary wodnej i opadają na ziemię w postaci deszczu, śniegu, gradu itp. Charakter i skład wód opadowych zależy od czystości atmosfery, tj. od rodzaju i ilości domieszek naturalnych oraz zanieczyszczeń przemysłowych zawartych w powietrzu. Skład chemiczny wód opadowych zależy również od wielkości opadów, kierunku wiatru, wysokości chmur i rodzaju opadów. Wody atmosferyczne zawierają znaczne ilości rozpuszczonych gazów, przede wszystkim tlenu, azotu, dwutlenku węgla. Występują w nich także w małych ilościach gazy szlachetne, amoniak, tlenki azotu (z utlenienia azotu podczas wyładowań elektrycznych w atmosferze), rozpuszczone sole (np. chlorek sodu), nierozpuszczalne sole wapnia, magnezu, związki krzemu oraz domieszki mechaniczne (pył mineralny i organiczny, sadza, cząstki roślinne, mikroorganizmy, a wśród nich bakterie chorobotwóórcze itp.). W rejonach zaludnionych i uprzemysłowionych o zanieczyszczonym powietrzu atmosferycznym wody opadowe mogą zawierać domieszki zanieczyszczeń powietrza np. różne odpady produkcyjne, produkty niezupełnego spalania węgla i innych paliw, gazy przemysłowe: CO₂, NH_3, H₂S, tlenki azotu i siarki, metale ciężkie, różne tlenki: As₂O₃, P₂O₅, Fe₂O₃, PbO, ZnO. W wyniku chemizacji rolnictwa w wodach pojawiły się substancje owadobójcze, chwastobójcze i grzybobójcze. Mogą zawierać także pierwiastki radioaktywne pochodzące z wybuchów nuklearnych i termojądrowych. Najczystsze wody opadowe występują w obszarach lesistych i wysokogórskich, najbardziej zanieczyszczone w rejonach uprzemysłowionych i na obszarach suchych. Skład wody atmosferycznej ulega radykalnej zmianie po zetknięciu się jej z powierzchnią ziemi.

Wody podziemne

Powstają wskutek wsiąkania (infiltracji) części wód opadowych i powierzchniowych. Dodatkowym (znikomym) źródłem jest skraplanie się pary wodnej w glebie i kondensacja pary wodnej z magmy. Wody z powierzchni ziemi – opadowe i powierzchniowe- ługują z górnych warstw gleby (która jest naturalnym odbiornikiem wszelkich opadów i nieczystości) różne substancje nieorganiczne (mineralne) i organiczne oraz mikroorganizmy. Z tego powodu skład fizyczno-chemiczny i bakteriologiczny wód spływających po powierzchni gleby jest bardzo zmienny i zależy od wielu czynników, m. in. od czasu kontaktu z glebą, rodzaju gleby, pory roku, ilości i rodzaju wód opadowych, zagospodarowania zlewni, ukształtowania i pokrycia terenu itp. Wody przenikające do ziemi ulegają samooczyszczaniu. W czasie filtracji do gleby i głębszych warstw gruntu woda uwalnia się od zanieczyszczeń mechanicznych oraz pozbywa się koloidalnych i rozpuszczonych substancji organicznych w wyniku zachodzących procesów biochemicznych i sorpcji. Wody opadowe przenikają przez glebę i wyługowują z niej pewna ilość substancji humusowych. Prędkość filtracji w glebie jest bardzo mała, wobec czego procesy samooczyszczania i sorpcji biologicznej zachodzą niemal całkowicie. Dlatego woda podziemna z większych głębokości jest praktycznie pozbawiona substancji organicznych, tlenu rozpuszczonego i mikroorganizmów. Obok wspomnianych wcześniej procesów zachodzi rozpuszczanie różnych składników gleby, gruntu i skał, czemu sprzyja obecność w wodzie rozpuszczonych gazów, np. CO_2, NH₃.Gleba zawiera wiele soli łatwo rozpuszczalnych, które rozpuszczają się w wodzie w czasie jej filtracji przez glebę. W ten sposób do wód podziemnych dostają się chlorki, siarczany i azotany ( z gleby nawożonej nawozami azotowymi i z procesów biochemicznych), jak również małe ilości fluorków, bromków, jodków, fosforanów i innych związków.

Pod wpływem CO₂ woda rozpuszcza minerały proste z których powstają wodorowęglany. W wyniku tych reakcji do wód podziemnych dostają się jony HCO₃^-, Ca₂⁺, Mg₂⁺ itp. Rozpuszczony w wodzie CO₂ ma również zdolność do rozpuszczania siarczków. Wody podziemne zawierające siarkowodór mogą rozpuszczać tlenki żelaza, z których powstają siarczki. Utlenianie siarczków prowadzi do powstania siarczanów. Natomiast siarczany pod działaniem organicznych substancji redukujących w warunkach beztlenowych przechodzą w węglany i wodorowęglany i powstaje siarkowodór. Przenikając przez grunt woda rozkłada hydrolitycznie również krzemiany, glinokrzemiany i żelazokrzemiany, a związki krzemu, glinu i żelaza przechodzą do wody w postaci rozpuszczonej lub koloidalnej. Skład i jakość wód podziemnych zależą od takich czynników, jak: ilość i rodzaj składników wód opadowych i powierzchniowych, które przenikają w głąb ziemi, zanieczyszczenia powierzchni ziemi i górnych warstw gleby oraz właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne samej warstwy gruntu, przez która przesiąka woda. Skład chemiczny wód podziemnych nie jest zatem stały, lecz ulega ciągłym zmianom. Zawierają one znaczne ilości CO_{2 ,} związków żelaza i manganu. Im głębiej przenika woda, tym jej skład jest bardziej ustalony. Wody podziemne w głębszych warstwach wodonośnych są pozbawione tlenu rozpuszczonego, zawierają niewielkie ilości substancji organicznych, a stopień zasolenia zwiększa się na ogół wraz ze zwiększeniem głębokości zalegania warstwy wodonośnej.

Wody mineralne

Wody lecznicze, które zawierają składniki mineralne i gazowe w niemal stałych stężeniach. Właściwości balneologiczne nadają wodom zawarte w nich składniki jonowe, gazowe, radoczynne i podwyższona temperatura. Należą do nich: dwutlenek węgla, siarkowodór, lit stront, żelazo, fluorki, brom, jod, arsen, bor, bar. Wody mineralne zawierają gazy, np. CO₂, H₂S, CH₄, N₂, nie tylko rozpuszczone, lecz również w postaci bardzo drobnych zawiesin oraz wydzielające się w postaci baniek. Obecność wolnego gazu wskazuje na nasycenie wody danym gazem. Największe znaczenie w wodach leczniczych mają dwutlenek węgla i siarkowodór. Dwutlenek węgla jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, a związki węgla występują w dużych ilościach w skorupie ziemskiej, stąd jego zawartość w wodach może być duża. Siarkowodór pochodzi zazwyczaj z redukcji siarczanów, bądź też działalności wulkanicznej. Wody mineralne dzieli się na:

- szczawy alkaliczne, ziemne, żelazisto-ziemne, zawierają bezwodnik kwasu węglowego, sód, wapń, magnez i żelazo.

-solanki- zawierają przede wszystkim jony sodu i chloru

-siarczanowe- zawierają chlorek sodu, siarczany wapnia, magnezu, sodu i siarkowodór.

-siarczkowe- związki siarczków

-ciepliczne

-radonowe

Wody powierzchniowe

Powstają wskutek spływania wód opadowych, podziemnych (źródłowych) i gruntowych do naturalnych i sztucznych zagłębień terenowych. Dzielą się na wody płynące (cieki), do których zaliczamy potoki strumyki i rzeki, oraz wody stojące, jak stawy, jeziora, sztuczne zbiorniki wodne (zaporowe).

Wody rzeczne (cieki)

Skład wód rzecznych jest bardzo zmienny i zależy od wielu czynników: ilości i jakości wód zasilających, klimatu, pory roku, ilości opadów, rodzaju gleby, procesów życiowych organizmów wodnych, ścieków bytowo-gospodarczych odprowadzanych bez wystarczającego oczyszczenia... Nie nadają się do bezpośredniego spożycia w stanie surowym. Skład fizyczno-chemiczny i bakteriologiczny jest różny na całej ich długości, a niekiedy i szerokości. Zmianę składu wody powoduje różny sposób zasilania rzek na poszczególnych odcinkach, składu wód dopływów i procesy jakie przebiegają w korycie rzeki.

W wodach rzecznych występują azotany pochodzące z opadów atmosferycznych, spływów z pastwisk i pól nawożonych związkami azotowymi, czy zanieczyszczeń ściekami z miast. Zawartość azotanów, a także fosforanów w wodzie rzecznej jest mniejsza w okresie letnim, gdyż są one zużywane przez rośliny wodne. Zawartość związków żelaza zmienia się w zależności od sposobu zasilania wody rzecznej. Stężenie żelaza zwiększa się w okresie zimowym, gdy rzeka jest pokryta lodem i zasilana wodami gruntowymi, jak również na wiosnę, gdy rzeki są zasilane wodami pochodzenia błotnego. W lecie zawartość żelaza jest mniejsza, gdyż wyższa temperatura wody, dobre wymieszanie i napowietrzenie sprzyjają utlenianiu żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego i wytrącaniu się z roztworu trudno rozpuszczalnego wodorotlenku. Zawartość gazów rozpuszczonych zależy od zmian warunków fizycznych zachodzących w ciągu roku, a zatem od temperatury, intensywności fotosyntezy, sposobu zasilania wody rzecznej oraz ciśnienia cząstkowego danego gazu podczas występowania pokrywy lodowej. Zawartość CO₂ w wodzie zmienia się w przeciwieństwie do zmian zawartości tlenu: w zimie największe stężenie CO₂ i zmniejsza się ono w miarę wzrostu temperatury i rozwojem roślinności. W walce z zanieczyszczeniem wód rzecznych pomocna jest naturalna zdolność do samooczyszczania. Procesy te polegają na utlenianiu tlenem rozpuszczonym w wodzie substancji organicznych na produkty nieorganiczne.

Wody jeziorne

Jeziora są przeważnie zasilane wodami rzecznymi, a skład wody w jeziorze różni się znacznie od składu zasilającej je rzeki. Przyczyną tych różnic jest wolniejszy przepływ wody w jeziorze niż w rzece. Powoduje to znacznie intensywny proces odparowania i wzrost mineralizacji wody jeziornej, wytrącanie osadów i dłuższy kontakt wody z osadami dennymi, co sprzyja wymianie jonowej. Z tego powodu skład wody jest zmienny na różnych głębokościach. Dotyczy to zarówno stężenia jonów jak i gazów rozpuszczonych (tlen, azot, dwutlenek węgla, a także pH). Jeziora dzieli się na słodkowodne (przeważają jony wapnia i wodorowęglanowe) oraz słone (jony siarczanowe, chlorkowe oraz sodu). Mniejsze zmiany składu wody zachodzą w jeziorach dużych i mniejszy jest także wpływ, jaki na skład wody wywierają dopływające rzeki. W przypadku nadmiaru odżywczych substancji nieorganicznych, azotu i fosforu może nastąpić eutrofizacja.

Woda morska

Stanowi 95% wszystkich wód na globie ziemskim. Cechą charakterystyczną jest zawartość chlorków, sodu, magnezu. W wodach rzecznych przeważają natomiast jony wapnia, wodorowęglanowe i siarczanowe. Wody morskiej ubywa stale w skutek parowania, a przybywa z rzek. Na skutek tych procesów następuje zagęszczanie wody gęstość wody morskiej wynosi 1,024 kg*m^-3, a temperatura na głębokości 3000m jest stała (273-276K). Odczyn wody morskiej jest lekko alkaliczny, pH wynosi 8-8,3. Woda morska odznacza się charakterystycznymi stosunkami stężeń poszczególnych składników. Wyraża się je za pomocą współczynników, np. chlorobromowy wynosi ok. 300. Zawartość związków azotowych jest zmienna i zależy od procesów nitryfikacji i denitryfikacji. Ze wzrostem głębokości ubywa azotu azotanowego, co wiąże się z obumieraniem planktonu.

Woda do picia

Musi spełniać podstawowe warunki sanitarno-epidemiologiczne:

-powinna być klarowna, bezwonna, bezbarwna i o orzeźwiającym smaku;

-nie powinna zawierać składników trujących, ani tez nadmiernych ilości związków żelaza, magnezu, wapnia i manganu;

-nie powinna zawierać bakterii chorobotwórczych, pasożytów zwierzęcych ani ich larw i jaj.

Pożądane jest aby woda miała niską temperaturę (280-285K) i zawierała odpowiednie składniki potrzebne organizmowi ludzkiemu, takie jak jod i fluor.

Klasyfikacja wód naturalnych według stopnia mineralizacji

Klasyfikacja wód naturalnych uwzględniająca stopień mineralizacji została zawarta w tabelce. Granicę wód słodkich ustalono na stężenie wyczuwalne smakiem, tj. 1 kg*m^-3. W wodach morskich stopień mineralizacji nie przekracza 50 kg*m^-3. Wyższe stopnie zasolenia są charakterystyczne dla słonych jezior i wód podziemnych silnie zmineralizowanych. Klasyfikacja wód według stopnia mineralizacji pozwala tylko na bardzo ogólny podział i nie uwzględnia zawartości jonów ani gazów.

Klasa wód	Zawartość suchej pozostałości,kg*m-3	Uwagi
Słodkie Słabo zmineralizowane Średnio zmineralizowane Zmineralizowane Solanki	do 1 1-3 3-10 10-50 Powyżej 50	pitne solanki wody o zasoleniu morskim wody o zasoleniu większym niż morskie

Klasyfikacja wód według składu chemicznego

• Klasyfikacja Palmera- uwzględnia się stosunek grup anionów do i kationów, które nadają wodom naturalnym charakterystyczne właściwości, jak twardość, zasolenie, alkaliczność, odczyn. Właściwości te zależą od wzajemnego stosunku stężeń różnych jonów zawartych w wodzie. Dlatego Palmer uwzględnia w podanej klasyfikacji tylko określone pięć grup kationów i anionów i sześć charakterystycznych właściwości wody. Na podstawie klasyfikacji Palmera można podzielić wody naturalne ze względu na ich skład chemiczny na kilka grup. Ten sposób klasyfikacji wód jest zbyt ogólny i dlatego wykazuje wiele wad.
• Klasyfikacja Szczukariewa- jest oparta na podziale wód naturalnych z uwzględnieniem obecności w wodzie jonów w ilości ponad 12,5% równoważników. W warunkach normalnych w takich ilościach występuje przede wszystkim sześć najważniejszych jonów: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO₃^-, SO₄^2-. W roztworze mogą istnieć połączenia oparte na kombinacjach trzech kationów z trzema anionami, co daje 49 połączeń, które odpowiadają 49 klasom wód naturalnych. Każda klasa ma swój numer, np. skład dziewiątej klasy wody jest określony obecnością jonów Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^- i SO₄^2- w ilości ponad 12,5% równoważników każdego z nich.
• Klasyfikacja Aleksandrowa polega na podziale wód naturalnych według ich składu na sześć klas. Pierwsze trzy klasy (wodorowęglanowa, siarczanowa, chlorkowa) określono na podstawie przewagi jednego z następujących jonów HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, ponad 12,5% równoważników oraz na podstawie zawartości innych jonów poniżej 12,5% równoważników, przyjmując sumę anionów i kationów równą 100% równoważników. Czwarta klasa jest kombinowana. Należą do niej wody, w których zawartość dwu lub trzech anionów przewyższa 12,5% równoważników. Każda z tych trzech klas dzieli się zależnie od przewagi jednego z następujących kationów Ca²⁺, Mg²⁺ lub Na⁺. Piąta klasa obejmuje wody jednej z klas poprzednich, jeżeli zawierają one składniki specyficzne, występujące w wodach naturalnych w dużych ilościach (Fe, Al, I , i inne). Do szóstej klasy należą wody zawierające większe ilości gazów (CO₂ i H₂S) oraz substancji promieniotwórczych.

• Klasyfikacja Alekina- jako podstawę podziału przyjęto tutaj jony, których stężenia przeważają, oraz stosunki tych stężeń. Wszystkie wody naturalne dzielą się na trzy klasy zależnie od anionu, którego jest najwięcej (stężenie wyraża się w równoważnikach). Są to więc wody wodorowęglanowe (HCO₃^- + CO₃^2-), siarczanowe (SO₄^2-) i chlorkowe(Cl^-). Każdą klasę podzielono na trzy grupy: wapniową, magnezową i sodową, uwzględniwszy kation, którego stężenie jest największe. Każda grupa dzieli się na trzy typy wód, które określa stosunek stężeń jonów (w miligramorównoważnikach). W pierwszym typie wód [HCO₃^-] >[Ca²⁺]+[Mg²⁺].

Wody te są w małym stopniu zmineralizowane i wykazują nadmiar jonów HCO₃^- w odniesieniu do ogólnej liczby jonów metali ziem alkalicznych. W drugim typie [HCO₃^-] < [Ca²⁺]+[Mg²⁺]<[HCO₃^-] + [SO₄^2-] .Należą tu wody podziemne, jak również wody rzeczne i jeziorne o małej mineralizacji. W trzecim typie [HCO₃^-] + [SO₄^2-] <[Ca²⁺]+[Mg²⁺], czyli inaczej [Cl^-] > [Na⁺]. Zaliczamy tu wody silnie zmineralizowane, wody oceanów i mórz oraz wody podziemne. Wody czwartego typu nie zawierają jonów HCO₃^-. Są one kwaśne i mogą należeć tylko do klasy siarczanowej i chlorkowej, w grupach Ca²⁺ i Mg²⁺, w których nie ma pierwszego typu.

Tego rodzaju klasyfikacja wód naturalnych, która opiera się na ich składzie chemicznym, umożliwia ustalenie pochodzenia wody i wyrobienie sobie poglądu na procesy wywołujące widoczna zmianę składu wody. Klasyfikacja Alekina obejmuje wszystkie wody naturalne o mineralizacji wynoszącej do 50 kg*m^-3 i wody morskie.

Ditlenek węgla. Równowaga węglowo-wapniowa.

Dwutlenek węgla (CO₂, nazwa systematyczna: ditlenek węgla lub tlenek węgla(IV)) - nieorganiczny związek chemiczny, tlenek węgla na IV stopniu utlenienia.

W temperaturze pokojowej jest to bezbarwny, bezwonny i niepalny gaz, dobrze rozpuszczalny w wodzie i cięższy od powietrza (ok. 1,5 raza). Pod normalnym ciśnieniem przechodzi ze stanu stałego do gazowego (sublimuje) z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze -78,5°C. Pod zwiększonym ciśnieniem (5,1 atm) można go jednak skroplić w temperaturze -57°C. Dwutlenek węgla jest produktem spalania i oddychania. Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych. Występuje w kopalniach, cukrowniach, gorzelniach, wytwórniach win, silosach zbożowych, browarach i studzienkach kanalizacyjnych. W laboratorium najłatwiej wytworzyć dwutlenek węgla poprzez prażenie węglanu wapnia CaCO₃:

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

lub działając praktycznie dowolnym kwasem (np. octowym, solnym, cytrynowym) na węglany, np. węglan wapnia, węglan (Na₂CO₃) lub wodorowęglan (NaHCO₃) sodu i in. (→ aparat Kippa):

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

W przemyśle dwutlenek węgla otrzymuje się podczas spalania węglowodorów lub jako produkt uboczny fermentacji alkoholowej.

W naturalnych wodach powierzchniowych CO2 pochodzi głównie z atmosfery, bądź procesów mineralizacji substancji organicznych, w wodach wgłębnych zaś z procesów geochemicznych. Pochłanianie CO2 z atmosfery obserwuje się przede wszystkim w morzach, a bardzo rzadko w wodach powierzchniowych rzecznych, które zawierają CO2 zwykle w większych ilościach niż wymaga tego stan równowagi w atmosferze. Dlatego w wodach rzecznych obserwuje się na ogół proces odwrotny- wydzielenie się CO2 do atmosfery. Zawartość CO2 w wodach naturalnych zmienia się w bardzo szerokich granicach. W zależności od pH wody CO2 może występować bądź całkowicie w postaci gazowej (pH mniejsze niż 4,5), bądź tez w postaci jonu wodorowęglanowego HCO^-₃ (pH= 8,4) lub węglowego CO^2-₃ (pH= 10,5).

Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w wyżej podanych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany znajduje się w wodzie pod postacią wodorowęglanów HCO^-₃ i węglanów CO^2-₃ natomiast wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej i jako kwas węglowy. Należy nadmienić, że w wodach naturalnych prawie cały wolny CO2 znajduje się w postaci rozpuszczonej, a tylko niespełna 1% występuje w wodzie w postaci kwasu węglowego. Częsć wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu nazywa się dwutlenkiem węgla równowagi węglanowo-wapniowej lub po prostu przynależnym CO2. W miarę zwiększania się w wodzie stężenia wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część wolnego CO2 w wodzie, czyli nadmiar wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przynależnego jest CO2 agresywnym w stosunku do betonu i metali.
Obecność CO2 w wodach naturalnych stwarza problemy gospodarcze i techniczne ze względu na powodowanie korozji urządzeń metalowych i betonowych.

17. JONY

A) Jony w wodzie pochodzą z dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadu cząsteczek związków chemicznych po wpływem rozpuszczalnika. Dysocjują związki w których wiązania są jonowe lub bardzo silnie spolaryzowane, zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się elektrolitem. Pojęcie Elektrolit oznacza nie mniej nie wiecej jak: substancję, która stopiona lub rozpuszczona w rozpuszczalniku dysocjuje (czyli jak pisałem wcześniej rozpada się na swobodne jony).
Elektrolitami są: wodne roztwory soli, kwasów i zasad, oraz stopy tych związków. Elektrolity w zależności od ich stopnia dysocjacji dzieli się na:-Mocne elektrolity, całkowicie zdysocjowane na jony - wodorotlenki pierwiastków pierwszej i drugiej grupy układu okresowego np. : KOH, NaOH, mocne kwasy m.in. HCl, HI, HBr, H₂SO₄, HNO₃, HClO₄ oraz większość soli nieorganicznych rozpuszczalnych w wodzie.-Słabe elektrolity, są tylko częściowo zdysocjowane na jony – H₂CO₃, H₃PO₄, H₂SO₃, HNO₂, CH₃COOH.
Elektrolit w wyniku dysocjacji może przewodzić prąd elektryczny. Przewodność elektrolitu zwana jest konduktancją, jest ściśle związana z ilością oraz ładunkiem jonów w roztworze, stąd jest wykorzystywane do analizy ilościowej jak i w pewnym stopniu jakościowej w metodzie zwanej konduktometrią. Z użyciem konduktometru (przyrządu do pomiaru przewodności) możemy kontrolować stan wody w akwarium. Gdy w wodzie wzrasta stężenie jonów azotanowych, węglanowych, fosforanowych i innych następuje wzrost przewodności elektrolitycznej wody.
W dalszej części rozważając następne zagadnienia związane z wodą będziemy mówić o zjawiskach jonowych. Dzięki swojej polarności woda tworzy wiązania wodorowe, to właśnie one powodują „wysoką” temperaturę topnienia i wrzenia w porównaniu do innych wodorków tlenowców takich jak H₂S, H₂Se, H₂ Te.
W środowisku wodnym dzięki polarności tego rozpuszczalnika wiele związków ulega dysocjacji (wymienione wcześniej elektrolity). Sama woda również podlega dysocjacji (autodysocjacji) zgodnie z równaniem:
H₂O + H₂O <-> H₃O­­⁺ + OH ^-

H₃O­­⁺ - jon hydroniowy

OH ^- - Anion wodorotlenowy

w uproszczeniu:
H₂O <-> H­­⁺ + OH ^-

H­­⁺- kation wodorowy
OH ^- - Anion wodorotlenowy

Strzałki w obie strony to stan równowagi chemicznej. Reakcja nie przebiega do końca, lecz na bieżąco ustala się równowaga w postaci pewnych stężeń substancji po obu stronach równania.

PH

B)Woda ulega stałej, samoczynnej dysocjacji, w wyniku czego niewielka część cząsteczek znajduje się zawsze w postaci jonów OH^-- i H⁺.

W trakcie dysocjacji pęka jedno z wiązań O-H, a uwolniony kation H⁺ dołącza się do cząsteczki wody tworząc jon hydroniowy H₃O⁺. Z tego powodu w roztworach wodnych praktycznie nie spotyka się wolnych jonów H⁺. Jednak przy określaniu stężenia jony podaje się umownie jako [H⁺] i [OH^-].

Stężenie jonów wodorowych [H⁺] jest miarą kwasowości roztworu. W 25°  C w czystej wodzie stężenia wynoszą: [H⁺]=[OH^-]=10 ^-7 mola/litr. Dla uproszczenia przyjęto używać skali pH, gdzie pH = -log₁₀[H⁺].

	stężenie jonow wodorowych[mol/l]	pH	przykład
odczyn kwasowy	10-0	0
	10-1	1	soki trawienne
	10-2	2	sok cytrynowy
	10-3	3	ocet winny
	10-4	4	kwaśna gleba
	10-5	5	lizozomy
	10-6	6	cytoplazma skurczonych mięśni
odczyn obojętny	10-7	7	czysta woda i cytoplazma
odczyn zasadowy	10-8	8	woda morska
	10-9	9	zasadowa gleba
	10-10	10	jeziora o odczynie zasadowym
	10-11	11	woda amoniakalna
	10-12	12
	10-13	13
	10-14	14

18. Związki azotowe jako wskaźniki zanieczyszczenia wód

Pochodzenie zw. Azotu może być organiczne lub mineralne.

W wodach naturalnych mogą pochodzić z gleby, ścieków przemysłowych, a atmosfery zawierającej tlenki azotu( po burzy)

W wodach podziemnych w skutek redukcji azotanów i azotynow przez siarkowodór, piryty lub zw. Humusowe.

Amoniak powstaje w wyniku biochemicznego rozkładu białek przez bakterie. Kation NH4+ jest nietrwały i łatwo przechodzi w inne zw. Azotu.

NITRYFIKACJA: ( w warunkach tlenowych)

I faza NH₃+1,5O₂=HNO₂+H₂O

II faza HNO₂+0,5O₂=HNO₃

Krzywa d natomiast przedstawia procesy nitryfikacji związków azotowych zachodzące zwykle po biochemicznym utlenianiu. Przebieg tych procesów można przedstawić za pomocą schematu:

DENITRYFIKACJAubogie w tlen)

HNO₃+H₂O= NH₃+2O₂

Przy braku tlenu( 100% DEFICYT) DENITRYFIKACJA POŁĄCZONA JEST Z RÓWNOCZESNYM UTLENIANIEM zw. Organicznych co daje wolny azot.

5C₆H₁₂O₆+24KNO₃=24KHCO₃+6CO₂+18H₂O+12N

Azotany(III) i azotany(V)
Azotany(III) mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Są one produktem przejściowym w cyklu azotowym zachodzącym w wodach naturalnych.

Azotany(III) są nietrwałe i łatwo przechodzą w amoniak lub azotany(V). Wskazane jest aby stężenie azotanów(III) w wodzie nie było większe niż l mg*dm^-3.

Azotany(V) występują we wszystkich rodzajach wód. Azotany(V) do wód naturalnych dostają się ze ścieków komunalnych i przemysłowych, z pól nawożonych nawozami azotanowymi, a także z rozkładu organicznych związków azotowych. Azotany występujące w wodach powierzchniowych przyspieszają eutrofizację, co powoduje zmniejszenie wydajności procesów uzdatniania wody oraz pogarsza jej smak i zapach.

Obecność w wodzie naturalnej amoniaku, przy braku azotanów(III) wskazuje na świeże zanieczyszczenie wody ściekami zawierającymi azot.

Jeżeli w wodzie jednocześnie znajduje się amoniak i jony azotanowe(III) może to świadczyć o zanieczyszczeniu istniejącym od pewnego czasu.

Natomiast obecność azotanów(V), przy braku amoniaku i azotanów(ni), świadczy o tym, że zanieczyszczenie wody nastąpiło dawno i w tym czasie zaszedł proces samooczyszczenia wody.

Wskaźnikiem zanieczyszczenia jest amoniak z odpadków zwierzęcych

Badanie pochodzenia:

-roślinne:

• Znaczne zabarwienie wody
• Zwiększona utlenialność

-zwierzęce

• Zwiększona utlenialność
• Wzrost zawartości chlorków
• Wzrost opalescencji
• Wzrost liczby bakteri podczas inkubacji w 37oC

chemiczne zapotrzebowanie na tlen, informujące nas o ilości związków organicznych, zawiesin oraz o zawartości związków azotowych i fosforowych zarówno o charakterze organicznym jak i nieorganicznym

amoniak i azotyny pochodzenia mineralnego nie są normowane poniewarz są w małej ilości\

Azotany w wodzie pitnej <10mg/dm3

Problemem jest sposób stosowania nawozów organicznych. W licznych gospodarstwach rolnych nawóz jest wywożony po zbiorze zbóż pod rośliny okopowe, a następnie przyorany. Gleba pozostaje, więc do wiosny bez okrywy ścierniskowej, a rozpuszczalne związki azotowe i fosforowe przedostają się w głąb gleby, stanowiąc źródło zanieczyszczeń wód podziemnych.

Eutrofizacja [gr. eutrophía ‘dobre odżywianie’], ekol. wzbogacanie się zbiorników wodnych w substancje odżywcze (pierwiastki biogenne, gł. azot i fosfor, także potas i sód), powodujące nadmierną produkcję biomasy glonów nitkowatych (kurczy się zasięg występowania morszczynu pęcherzykowatego Fucus vesiculosus); występuje w wodach stojących; prowadzi do wystąpienia intensywnego zabarwienia i zapachu wody, mętności, wymierania organizmów zwierzęcych (zwł. ryb), dominacji organizmów beztlenowych, gromadzenia się znacznej ilości org. mułów (wypłycanie się zbiorników).

Generalnie eutrofizacja jest zjawiskiem niebezpiecznym i np. dla Morza Bałtyckiego uważana za jedno z największych zagrożeń ekosystemu morskiego. Azot i fosfor dostają się do wód M. Bałtyckiego bezpośrednio lub z wiatrem lub wodami rzek.

Punktowym źródłem zanieczyszczeń mogą być zakłady przemysłowe czy też farmy rybne. W strefie przybrzeżnej intensywnie rozwija się działalność człowieka, a co za tym idzie rolnictwo, przemysł, transport wpływa na poziom zanieczyszczeń. Źródłem naturalnym może być erozja i wymywanie.

Skutki eutrofizacji:
1. Wysokie stężenie substancji odżywczych może prowadzić do dużych zakwitów wody. Powodują one pokrycie całej  powierzchni wody danego akwenu przez fitoplankton, co uniemożliwia przenikanie światła do niższych warstw wody. Powoduje to zatrzymanie wzrostu roślin żyjących w głębszych warstwach wody i zmniejsza różnorodność biologiczną. 

2. Kiedy fitoplankton obumiera zostaje zremineralizowany (czyli po prostu zjedzony) przez bakterie. W procesie tym jest zużywany tlen z wody. Jeśli zakwity są duże to rozkład materii organicznej przez bakterie może pochłonąć tak dużo tlenu w głębszych warstwach wody, że nie braknie go dla ryb do oddychania; muszą one odpłynąć do innych obszarów morskich lub skazane są na śmierć.

3. Nadmierna ilość składników odżywczych może czasem prowadzić do rozrostu takich gatunków fitoplanktonu, które produkują szkodliwe toksyny. Mogą one powodować śmierć innych gatunków łącznie z rybami. Skorupiaki kumulują w swoich organizmach te toksyny kiedy zjadają fitoplankton, my z kolei też jesteśmy narażeni na działanie tych toksyn kiedy zjadamy skorupiaki.

Dyrektywy europejskie dotyczące postępowania ze ściekami i użycia detergentów bez fosforanów spowodowały zmniejszenie dostaw fosforu do rzek i mórz. Jednak stężenie fosforu w wodach przybrzeżnych jest ciągle bardzo wysokie i wygląda na to, że fosfor magazynowany w osadach zaczyna być teraz powoli uwalniany z powrotem do wody. Użycie nawozów azotanowych zmniejsza się w Europie od lat 80. XX wieku, ale dostawy azotanów do rzek wskutek działalności rolniczej są wciąż bardzo wysokie.

Fragment ze strony greenpeace:
„Kiedy tempo produkcji materii organicznej jest wyższe niż tempo rozkładu, jak to się dzieje w przypadku zakwitu glonów, wyprodukowany nadmiar osadza się na dnie morza. W strefach głębszych, poniżej halokliny, rozkład tej materii powoduje zużycie znajdujących się tam resztek tlenu. Żyjące na dnie bezkręgowce i ryby przydenne giną bądź migrują, a rozległe połacie morskiego dna przekształcają się w pustynie. Co gorsza, osady strefy beztlenowej  zawierają znaczne ilości substancji odżywczych, które uwalniając się do wody dodatkowo wzmagają eutrofizację. To tzw. obciążenie wewnętrzne znacznie zmniejsza zdolność morza do szybkiego powrotu do równowagi, gdyż substancje odżywcze pozostaną w osadach  na długo.”

21

Substancje organiczne w wodach naturalnych powstają w wyniku chemosyntezy i fotosyntezy. Bakterie zdolne do syntezy chemicznej wytwarzają substancje organiczne z prostych związków nieorganicznych; korzystają w tym celu z energii wydzielającej się podczas przemian chemicznych. W przeciwieństwie do nich organizmy zdolne do fotosyntezy tworzą substancje organiczną; korzystają w tym celu z energii w tym celu z energii słonecznej. Substancje organiczne występujące w wodach naturalnych mogą być pochodzenia naturalnego (roślinnego i zwierzęcego) i sztucznego.
Źródła substancji organicznych w wodzie .

Rozróżnić można następujące źródła powstawania substancji organicznych w wodzie :

• Substancje naturalne . Podstawową grupą substancji naturalnych w wodach i osadach dennych są substancje humusowe ,które stanowią 60-80% całkowitej masy substancji organicznych . Związki te nie są całkowicie usuwane w trakcie uzdatniania wody i tworzą podczas chlorowania wody wiele produktów utleniania , z których najistotniejsze są haloformy .

• Ścieki przemysłowe i miejskie . Ścieki zawierają wiele naturalnych i syntetycznych związków organicznych . Do substancji syntetycznych najczęściej występujących należy zaliczyć : węglowodory alifatyczne i aromatyczne tj. benzen, fenole, WWA , halogenowane związki alifatyczne , alicykliczne i aromatyczne, pestycydy chloroorganiczne , polichlorowane bifenyle ( PCB ) i ftalany .

• Spływy powierzchniowe . Spływy z pól uprawnych zawierają pestycydy . Tereny miejskie i drogi dostarczają wiele różnych substancji , takich jak węglowodory alifatyczne i aromatyczne , WWA , kwasy tłuszczowe , ketony, ftalany . Źródłem substancji organicznych są także spływy z hałd odpadów i wysypisk śmieci .

• Opady atmosferyczne . Na skutek parowania z powierzchni terenu , spalania węgla i ropy naftowej oraz emisji z zakładów przemysłowych , głównie chemicznych , wody deszczowe zawierają wiele substancji organicznych tj. WWA , PCB , pestycydy chloroorganiczne , węglowodory chlorowane niskocząsteczkowe , plastyfikatory i rozpuszczalniki .

• Związki organiczne powstające przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków . Podczas chlorowania wody i ścieków powstaje wiele halogenowanych i niehalogenowanych produktów utleniania . W procesie tym główną rolę odgrywają substancje humusowe . Dodawanie koagulantów przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków zaliczane jest również jako wprowadzanie zanieczyszczeń do wody . Koagulanty zawierają często takie substancje uboczne jak monomery akryloamidowe .

• Zbiorniki wodne jako źródło powstawania związków organicznych . Związki organiczne są wytwarzane w wodach powierzchniowych ze związków mineralnych przez organizmy autotroficzne w procesie fotosyntezy przez rośliny zielone i bakterie oraz w procesie chemosyntezy . Również w wyniku przemian metabolicznych w organizmach wodnych do wody są wprowadzane różnorodne substancje . Rośliny wydzielają do wody węglowodany , kwasy organiczne , aminokwasy , aminy , polipeptydy, witaminy, fenole i in.

Węglowodany znajdujące się w wodach naturalnych mogą być pochodzenia roślinnego i zwierzęcego (naturalnego), z rozkładu obumarłych roślin i organizmów zwierzęcych żyjących w wodzie. Źródłem węglowodanów w wodach powierzchniowych są również zrzuty ścieków bytowo-gospodarczych miejskich i przemysłowych.
W wodach naturalnych występują zazwyczaj mieszaniny węglowodanów w postaci rozpuszczonej i jako koloidy. Węglowodany zależnie od wielkości i budowy cząsteczek dzieli się na cukry proste i złożone. Wśród cukrów złożonych rozróżniamy oligosacharydy i polisacharydy.
Tłuszcze są to estry alkoholi jedno- lub wielowodorotlenowych i nasyconych lub nienasyconych wyższych kwasów tłuszczowych. Lipidy dzieli się na tłuszcze właściwe, woski i tłuszcze złożone.
Białka substancje te w wodach naturalnych pochodzą z rozkładu obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących w wodzie lub przedostających się do wody ze ścieków lub innych źródeł.
Białka występujące w świecie roślinnym są wytwarzane przez rośliny, glony i inne autotrofy, które syntetyzują związki mineralne z wody, CO2 i azotu pobieranego z gleby, wody lub powietrza.
Białka są substancjami przeważnie bezpostaciowymi, bardzo rzadko krystalicznymi. Część białek jest nierozpuszczalna w wodzie. Białka rozpuszczalne, ze względu na swa bardzo dużą masę cząsteczkową, dają roztwory koloidalne. Niektóre białka nierozpuszczalne w czystej wodzie przechodzą do roztworu dopiero po dodaniu soli, wodorotlenków lub kwasów. Oznacza to, że ich rozpuszczalność zależy od pH roztworu. W punkcie izoelektrycznym białko jest najsłabiej rozpuszczalne. Od pH zależy również zdolność białek do wydzielania z roztworu, czyli tzw. wysalanie.
Substancje humusowe są obecne niemal we wszystkich wodach naturalnych, a w niektórych stanowią główny składnik substancji organicznych. Źródłem substancji humusowych w wodach naturalnych mogą być: gleba, torf, ściółka leśna i inne cząstki roślin. Substancje organiczne pochodzenia roślinnego przekształcają się w glebach pod wpływem czynników fizycznych oraz procesów chemicznych i biologicznych w humus, stanowiący zespół złożonych substancji.
Rozróżnia się humus glebowy i wodny, gdyż proces humifikacji przebiega również pod wodą. Humus glebowy (próchnica) składa się z nie rozłożonych pozostałości pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Podczas tworzenia się humusu zachodzą procesy syntezy, polimeryzacji i kondensacji.



Związki organiczne w wodach naturalnych można podzielić na trwałe biologicznie i nietrwałe- ulegające rozkładowi biochemicznemu, mineralizacji. Proces ten odbywa się przy współdziałaniu bakterii w środowisku tlenowym i beztlenowym. W razie silnego zanieczyszczenia i nieobecności tlenu rozpuszczonego w wodzie dominują bakterie beztlenowe powodujące anaerobowy rozkład związków organicznych. Proces gnicia w powierzchniowych wodach naturalnych jest zjawiskiem nienormalnym, wskazującym na silne ich zanieczyszczenie i nieobecność rozpuszczonego tlenu.

Do tematu należy jeszcze BZT, Ogólny Węgiel Organiczny, ChZT ( zakres materiału z laborek)

22. Zanieczyszczenia wód ściekami miejskimi i przemysłowymi:

Zanieczyszczenia wód ogólnie - niekorzystne zmiany właściwości fizycznych, chemicznych i bakteriologicznych wody spowodowane wprowadzaniem w nadmiarze substancji nieorganicznych (stałych, płynnych, gazowych), organicznych, radioaktywnych czy wreszcie ciepła, które ograniczają lub uniemożliwiają wykorzystywanie wody do picia i celów gospodarczych.

ścieki odprowadzane w zorganizowany sposób systemami kanalizacyjnymi, pochodzące głównie z zakładów przemysłowych i z aglomeracji miejskich są to punktowe źródła zanieczyszczeń.

Ścieki (wody zwrotne) z systemów kanalizacyjnych (przemysłowych i komunalnych) - Stanowią główne źródło zanieczyszczeń wód, zwłaszcza powierzchniowych. Należą do nich ścieki:

Bytowo-gospodarcze, tj. wody zużyte do celów higienicznych i gospodarczych, w gospodarstwach domowych, zakładach pracy i zakładach użyteczności publicznej. Charakteryzują się one na ogół stałym składem wynikającym z powtarzalności zabiegów higienicznych i czynności związanych z prowadzeniem gospodarstw domowych.

Przemysłowe, tj. wody zużyte w zakładach produkcyjnych i usługowych w wyniku procesów technologicznych. Ich skład zależy od rodzaju przemysłu, materiałów stosowanych w produkcji oraz w technologii. Ten rodzaj ścieków oznacza się na ogół większym stężeniem i wyższym stopniem zanieczyszczenia od ścieków bytowo-gospodarczych.

Opadowe z terenów skanalizowanych, tj. głównie wody deszczowe i roztopowe oraz wody zużyte na polewanie ulic i placów. Ścieki te cechuje znacznie mniejsze zanieczyszczenie i niewielkie stężenie, szczególnie po pewnym czasie trwania deszczu lub roztopów.

Wody filtracyjne (gruntowe) przedostające się do kanalizacji przez nieszczelności i pęknięcia przewodów kanalizacyjnych. Odznaczają się zwykle niewielkim zanieczyszczeniem.

Podział na przemysłowe i miejskie:

Przemysłowe

Zanieczyszczenia przemysłowe tworzą głównie ścieki przemysłowe, które są odprowadzane do rzek, jezior, pobliskich strumieni. Zanieczyszczenia te powstają na skutek wydobywania oraz uszlachetniania surowców, ale także podczas mycia i oczyszczania półproduktów oraz końcowych produktów, podczas chłodzenia urządzeń, podczas transportu hydraulicznego, w czasie filtracji, flotacji, destylacji oraz podczas innych metod produkcyjnych. Główne zanieczyszczenia ścieków przemysłowych to: sole ciężkich metali, chlorki, związki wapnia oraz azotu, zasady mineralne, kwasy mineralne, szkodliwe związki organiczne (składniki ropy naftowej, fenole, substancje barwnikowe), cyjanki, wody chłodnicze w podwyższonej temperaturze. Gdy przenikną do organizmów zwierząt, mogą spowodować problemy z wątrobą, układem pokarmowym, oraz układem krwionośnym.

ścieki przemysłowe - zawierają najczęściej rozmaite związki chemiczne, będące ubocznym produktem procesów technologicznych stosowanych w zakładach przemysłowych. Problem ścieków występuje szczególnie w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych. Na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji.

Miejskie:

Rodzaje ścieków miejskich:

- bytowo-gospodarcze

- fekalia

- przemysłu miejskiego

- opadowe

- infiltracyjne, drenażowe (przypadkowe)

- nielegalne zrzuty ścieków.

Ten typ zanieczyszczeń tworzony jest przez ścieki miejskie, które powstają w wyniku działalności gospodarczej i bytowej człowieka. Są to przede wszystkim odpady gospodarcze, wydaliny fizjologiczne zwierząt i ludzi, szpitalne odpady oraz odpady z zakładów przemysłowych łaźni oraz pralni.

Główne składniki ścieków komunalnych to zanieczyszczenia pochodzenia organicznego. Wraz z fekaliami do ścieków bytowych są odprowadzane odpady kuchenne, detergenty, papier. Środki piorące zawierają znaczne ilości fosforanów, które mogą spowodować niekorzystny rozwój glonów. Ścieki te zawierają także chorobotwórcze drobnoustroje, które mogą wywoływać takie choroby jak: cholera, choroba Heinego Mediny, tyfus, dur brzuszny. Są dużym zagrożeniem higienicznym. W skład ścieków komunalnych mogą także wchodzić metale ciężkie, gdy przenikną do organizmów zwierząt, mogą spowodować uszkodzenia wątroby, układu nerwowego, naczyń krwionośnych, kości oraz serca.

ścieki komunalne - są mieszaniną ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych oraz wód opadowych. BZT₅ tych ścieków wynosi od 200 do 300 mg tlenu/litr.

Ścieki miejskie są mieszaniną wód zużytych w gospodarstwach

domowych, w drobnych zakładach przemysłowych, w zakładach usług

komunalnych z wodami infiltrującymi do kanalizacji przez nieszczelności

sieci. W kanalizacji ogólnospławnej ścieki miejskie zawierają także wody

opadowe.

Stopień oczyszczania ścieków przemysłowych i komunalnych w 2003 roku:

Na 2,2 km3/rok ścieków wymagających oczyszczenia oczyszczone zostały 2 km3 ścieki oczyszczone, z czego:

0,6 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami fizycznymi

0,2 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami chemicznymi

0,6 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami biologicznymi

0,6 km3/rok - oczyszczanie z podwyższonym usuwaniem biogenów

23. Zanieczyszczenie wód ropą naftowa i jej pochodnymi

Ropa naftowa jest skomplikowaną mieszaniną węglowodorów o różnej budowie i

wielkości cząsteczek pochodzenia naturalnego. Składa się przede wszystkim z

prostołańcuchowych węglowodorów alifatycznych. Chemiczny skład ropy naftowej zależy od jej pochodzenia.

Węglowodory tworzące ropę naftową mając charakter niepolarny rozpuszczają się w

wodzie w bardzo niewielkim stopniu.

Czas tworzenia się ropy naftowej to ok. 60 milionów lat.

Z ropy naftowej produkuje się w procesie rafinacji inne substancje:

• Benzyny
• Oleje
• Naftę
• Mazuty
• Asfalty

Ropa naftowa do środowiska, w tym także do wód dostaje się w wyniku wydobycia jej, gospodarki człowieka oraz różnego rodzaju katastrof takich jak wyciek z tankowców.

Mimo iż te ostatnie są najbardziej znane i rozgłaszane przez media stanowią bardzo małą część zanieczyszczenia.

Ropa naftowa jako substancja nierozpuszczalna, lżejsza od wody pływa po jej powierzchni. Każdorazowo wyciek ropy naftowej związany jest ze skażeniem części wybrzeża oraz zagłady ryb i ptaków morskich. Frakcje lżejsze, lotne stosunkowo szybko wyparowuje do atmosfery (jedynie ok. 5-10% ropy naftowej zawiera frakcje lotne), natomiast pozostałość po pewnym czasie przylepi się do planktonu występującego w morzach i oceanach opadając na dno jako nierozpuszczalny związek i zostanie tam związana. Każdorazowo wyciek ropy naftowej związany jest ze skażeniem części.

Podczas spalania ropy naftowej powstają między innymi: dwutlenek węgla, woda, węglowodory łańcuchowe, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Te ostatnie szczególnie mają negatywne znaczenie dla środowiska i organizmów żywych. Powodują skażenie środowiska i mają silne właściwości kancerogenne.

Podczas spalania ropy naftowej wydzielają się związki zwane pristanami, które występują w roślinach. Jest to dowód, że ropa naftowa powstała z przekształcenia się organizmów żywych na przełomie kilku tysięcy lat.

Pochodne ropy naftowej wprowadzane są do środowiska przede wszystkim podczas wykorzystania gospodarczego przez człowieka. Ich działanie jest podobne do samej ropy naftowej. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej pochodnej zmniejsza się jej lotność oraz zwiększa niekorzystne oddziaływanie na środowisko.

24

Środki powierzchniowo czynne (SPC) to związki, które charakteryzują się występowaniem w ich cząsteczkach części hydrofilowej i hydrofobowej. Związki te mają charakter amfifilowy, związany z jednoczesną, niepełną rozpuszczalnością związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach. SPC posiadają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, dzięki czemu ułatwiają zwilżanie powierzchni ciał stałych przez te ciecze. Również umożliwiają mieszanie dwóch niemieszających się ze sobą cieczy, np: wody i oleju, w wyniku czego zostaje wytworzony układ koloidowy o nazwie emulsja Wyróżnia się dwa główne typy emulsji: olej/woda i woda/olej.

Środki powierzchniowo czynne można podzielić na grupy w zależności od ich zastosowania:
- emulgatory - dodatki utrwalające emulsje
- środki zwilżające
- środki pianotwórcze - dodatki utrwalające pianę
- detergenty - środki czyszczące

Właściwości związków powierzchniowo czynnych wykorzystywane są przede wszystkim w procesie usuwania brudu (szampony, proszki do prania, płyny do mycia naczyń, mydła).

Środki ochrony roślin

Pestycydy i herbicydy

Naturalne lub syntetyczne substancje stosowane do zwalczania różnego rodzaju szkodników, głównie w rolnictwie, higienie wentylacyjnej (zwalczanie owadów i gryzoni)

Pestycydy dzieli się na:

• Insektycydy (owadobójcze)
• Herbicydy (chwastobójcze)
• Fungicydy (grzybobójcze)
• Bakteriocydy (bakteriobójcze)
• Defolianty (usuwają liście roślin)

Źródło pestycydów w wodzie

• Spływ z pól uprawnych
• Spływy ze ściekami z zakładów produkujących lub stosujących pestycydy, ścieki miejskie
• Bezpośrednie stosowanie do zwalczania roślin w wodzie

Pestycydy organiczne:

• Związki chloroorganiczne (chlorowane węglowodory)
• Związki fosfoorganiczne
• Karbaminiany
• Pestycydy mocznikowe

Pestycydy powinny:

• Być toksyczne w stosunku do składników docelowych
• Być mało toksyczne dla człowieka i innych organizmów
• Być trwałe
• Łatwo ulegać biodegradacji do związków nietoksycznych po spełnieniu zadania

Herbicydy - chemiczne środki służące do selektywnego niszczenia chwastów w uprawach. Ich stosowanie stanowi uzupełnienie mechanicznych zabiegów pielęgnacyjnych.

Herbicydy dzielą się na:

doglebowe

• przedsiewne; wymagają wymieszania z glebą,
• przedwschodowe

pogłówne

• o działaniu dolistnym
• o działaniu doglebowym
• o działaniu dolistnym i doglebowym

Fenole

Mogą być związkami syntetycznymi lub też pochodzenia naturalnego. Fenole są naturalnymi produktami przemiany materii u zwierząt, powstają w procesie rozkładu białek Ilości są znikome. Stosowane na szeroką skale w przemyśle chemicznym, a także jako środowisko dezynfekcyjne. Są toksyczne w stosunku do organizmów wodnych, łatwo ulęgają biodegradacji jeżeli ich stężenie nie zabije mikroorganizmów. Łatwo reagują ze związkami nieorganicznymi. Pochodzą głównie ze ścieków przemysłowych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)

WWA – związki mające co najmniej dwa pierścienie aromatyczne z 2 atomami węgla wspólnymi dla obu pierścieni. Powstają podczas przeróbki (niepełnego spalania) paliw głównie węgla i ropy naftowej. Zaliczane są do związków syntetycznych choć pewne organizmy potrafią syntezować WWA – znikome ilości. Najważniejszymi źródłami WWA, które zanieczyszczają wody naturalne są:

• Pyły i sadze opadające z powietrza i osadzające się na ziemi
• Spływ powierzchniowy z dróg smołowych, asfaltowych, ścierani się asfaltu, opon, emisja spalin samochodowych
• Ścieki z przemysłu węglowego, naftowego, kopalnianego
• Ogrzewanie i produkcja energii
• Spalanie paliw
• Odcieki z wysypisk
• Ścieki i wody przemysłowe zawierające oleje i smary

Liczne WWA są w większym lub mniejszym stopniu rakotwórcze.

Zawartość WWA – ścieki ok. 1000mg/dm³

- wody powierzchniowe czyste 50 – 250 mg/dm³

Chlorowane związki organiczne

Łatwo rozpuszczalne chlorowane związki organiczne należą do najtrudniej usuwanych zanieczyszczeń. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne , jako związki hydrofobowe i trudno rozpuszczalne mogą być usuwane w pewnych ilościach, zależnych od stężenia WWA w wodzie powierzchniowej. Skuteczność infiltracji w usuwaniu substancji powierzchniowo czynnych, pestycydów i chlorowanych związków organicznych jest odwrotnie proporcjonalna do poziomu zanieczyszczenia wody powierzchniowej oraz środowiska glebowo skalnego, w którym przebiega proces. Ciężko coś sensownego

24

Środki powierzchniowo czynne (SPC) to związki, które charakteryzują się występowaniem w ich cząsteczkach części hydrofilowej i hydrofobowej. Związki te mają charakter amfifilowy, związany z jednoczesną, niepełną rozpuszczalnością związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach. SPC posiadają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, dzięki czemu ułatwiają zwilżanie powierzchni ciał stałych przez te ciecze. Również umożliwiają mieszanie dwóch niemieszających się ze sobą cieczy, np: wody i oleju, w wyniku czego zostaje wytworzony układ koloidowy o nazwie emulsja Wyróżnia się dwa główne typy emulsji: olej/woda i woda/olej.

Środki powierzchniowo czynne można podzielić na grupy w zależności od ich zastosowania:
- emulgatory - dodatki utrwalające emulsje
- środki zwilżające
- środki pianotwórcze - dodatki utrwalające pianę
- detergenty - środki czyszczące

Właściwości związków powierzchniowo czynnych wykorzystywane są przede wszystkim w procesie usuwania brudu (szampony, proszki do prania, płyny do mycia naczyń, mydła).

Środki ochrony roślin

Pestycydy i herbicydy

Naturalne lub syntetyczne substancje stosowane do zwalczania różnego rodzaju szkodników, głównie w rolnictwie, higienie wentylacyjnej (zwalczanie owadów i gryzoni)

Pestycydy dzieli się na:

• Insektycydy (owadobójcze)
• Herbicydy (chwastobójcze)
• Fungicydy (grzybobójcze)
• Bakteriocydy (bakteriobójcze)
• Defolianty (usuwają liście roślin)

Źródło pestycydów w wodzie

• Spływ z pól uprawnych
• Spływy ze ściekami z zakładów produkujących lub stosujących pestycydy, ścieki miejskie
• Bezpośrednie stosowanie do zwalczania roślin w wodzie

Pestycydy organiczne:

• Związki chloroorganiczne (chlorowane węglowodory)
• Związki fosfoorganiczne
• Karbaminiany
• Pestycydy mocznikowe

Pestycydy powinny:

• Być toksyczne w stosunku do składników docelowych
• Być mało toksyczne dla człowieka i innych organizmów
• Być trwałe
• Łatwo ulegać biodegradacji do związków nietoksycznych po spełnieniu zadania

Herbicydy - chemiczne środki służące do selektywnego niszczenia chwastów w uprawach. Ich stosowanie stanowi uzupełnienie mechanicznych zabiegów pielęgnacyjnych.

Herbicydy dzielą się na:

doglebowe

• przedsiewne; wymagają wymieszania z glebą,
• przedwschodowe

pogłówne

• o działaniu dolistnym
• o działaniu doglebowym
• o działaniu dolistnym i doglebowym

Fenole

Mogą być związkami syntetycznymi lub też pochodzenia naturalnego. Fenole są naturalnymi produktami przemiany materii u zwierząt, powstają w procesie rozkładu białek Ilości są znikome. Stosowane na szeroką skale w przemyśle chemicznym, a także jako środowisko dezynfekcyjne. Są toksyczne w stosunku do organizmów wodnych, łatwo ulęgają biodegradacji jeżeli ich stężenie nie zabije mikroorganizmów. Łatwo reagują ze związkami nieorganicznymi. Pochodzą głównie ze ścieków przemysłowych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)

WWA – związki mające co najmniej dwa pierścienie aromatyczne z 2 atomami węgla wspólnymi dla obu pierścieni. Powstają podczas przeróbki (niepełnego spalania) paliw głównie węgla i ropy naftowej. Zaliczane są do związków syntetycznych choć pewne organizmy potrafią syntezować WWA – znikome ilości. Najważniejszymi źródłami WWA, które zanieczyszczają wody naturalne są:

• Pyły i sadze opadające z powietrza i osadzające się na ziemi
• Spływ powierzchniowy z dróg smołowych, asfaltowych, ścierani się asfaltu, opon, emisja spalin samochodowych
• Ścieki z przemysłu węglowego, naftowego, kopalnianego
• Ogrzewanie i produkcja energii
• Spalanie paliw
• Odcieki z wysypisk
• Ścieki i wody przemysłowe zawierające oleje i smary

Liczne WWA są w większym lub mniejszym stopniu rakotwórcze.

Zawartość WWA – ścieki ok. 1000mg/dm³

- wody powierzchniowe czyste 50 – 250 mg/dm³

Chlorowane związki organiczne

Łatwo rozpuszczalne chlorowane związki organiczne należą do najtrudniej usuwanych zanieczyszczeń. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne , jako związki hydrofobowe i trudno rozpuszczalne mogą być usuwane w pewnych ilościach, zależnych od stężenia WWA w wodzie powierzchniowej. Skuteczność infiltracji w usuwaniu substancji powierzchniowo czynnych, pestycydów i chlorowanych związków organicznych jest odwrotnie proporcjonalna do poziomu zanieczyszczenia wody powierzchniowej oraz środowiska glebowo skalnego, w którym przebiega proces. Ciężko coś sensownego

25. Uboczne produkty dezynfekcji

Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy, takich jak chlor,

podchloryn sodu, dwutlenek chloru, chloraminy, ozon, brom i jod. Środki chemiczne stosowane do dezynfekcji

mają silne właściwości dezynfekcyjne oraz utleniające, dlatego podczas dezynfekcji wód zawierających subst.

organiczne i nieorganiczne równolegle przebiegają procesy niszczenia mikroorganizmów patogennych oraz

przemiany związków org. i nieorg. Większość produktów utleniania nieorganicznych składników wody najczęściej

nie pogarsza jakości zdrowotnej wody, natomiast bardzo dużo produktów reakcji zw. org. z dezynfektantami

ma właściwości toksyczne, mutagenne i teratogenne.Do oznaczania związków ubocznych stosuje się metody

chromatograficzne.

CHLOROWANIE. Powstające produkty uboczne: trihalometany, kwasy halogenooctowe, halogenoketony, halogenonitryle,

trichlorobenzeny, trichlorofenole, hydroksyfurany

Powstające halogenowe związki organiczne można podzielić na lotne (np. dichlorometan, chloroform, dichlorobromometan,

bromoform, tetrachlorometan) i nielotne (np. haloketony, haloacetonitryle, halopochodne kwasów

karboksylowych – najczęściej kw.octowego, haloaldehydy, ftalany, aminy).

Do zw. o bardzo dużej toksyczności należy 3-chloro-4(dichlorometylo)-5-hydroksy- 2(5H0-furanon, zwany MX.

W celu obniżenia stężenia ubocznych produktów chlorowania stosuje się:

- inne utleniacze, takie jak ozon dwutlenek chloru,

- usuwanie z wody substancji organicznych (prekursorów) przed procesem utleniania,

- modyfikowanie procesu chlorowania przez dodatek amoniaku (chloraminowanie),

- adsorbowanie powstałych halogenów na filtrach węglowych.

* TRIHALOMETANY (THM)

- najlepiej poznana grupa ubocznych produktów chlorowania

- znacznie pogarszają właściwości organoleptyczne wody

- główne zidentyfikowane związki tego typu to: chloroform

(CHCl3), bromodichlorometan (CHBrCl3), dibromochlorometan

(CHBr2Cl) i bromoform (CHBr3). W największych stężeniach

występuje chloroform.

- prekursorami są głównie: kwasy humusowe, chlorofil a, metabolity

organizmów wodnych, alifatyczne hydroksykwasy, kwasy

mono-, di- i trikarboksylowe oraz aromatyczne kwasy karboksylowe

- na wydajność reakcji wpływają: czas kontaktu z chlorem, pH,

temp., dawka chloru, stężenie i rodzaj prekursorów

Im gorsza jakość wody poddawanej chlorowaniu, tym więcej powstaje szkodliwych THM.

Na początku lat 90. stężenie THM w Polsce wynosiło ok. 100 mg/m3. Obecnie stężenie jest mniejsze - ok. 30

mg/m3 (zmiany w technologii dezynfekcji wody).

Trihalometany zawierają głównie CHCl3 (83,7%), CHCl2Br (15,4%) i CHClBr2 (0,9%), bormoform, jeśli występuje,

to w ilościach bliskich granicy wykrywalności.

* KWASY HALOGENOOCTOWE (HAA)

- druga istotna grupa związków powstających w czasie chlorowania

- niektóre z nich są rakotwórcze (kw. dichlorooctowy i trichlorooctowy)

- główni przedstawiciele tej grupy to kwasy: chlorooctowy (CH2ClCOOH – MCAA), bromooctowy

(CH2BrCOOH – MBAA), dichlorooctowy (CHCl2COOH – DCAA), trichlorooctowy (CCl3COOH – TCAA),

dibromooctowy (CHBr2COOH – DBAA). W wodzie występują też inne kwasy tego rodzaju.

- ich obecność stwierdzono w wodach uzyskanych z ujęć powierzchniowych, nie występują w wodach z ujęć

podziemnych; stężenia wynosiły od 0 do 14,7 mg/m3

OZONOWANIE. Ozon stosowany jest do ozonowania wstępnego przed koagulacją, która ma na celu:

- obniżenie intensywności barwy wody,

- utlenienie związków nieorganicznych, np. cyjanków, siarczków, azotynów, związków żelaza i manganu,

- poprawę smaku i zapachu wody,

- ułatwienie mikroflokulacji,

- obniżenie potencjału tworzenia THM i innych związków chloroorganicznych,

- zaspokojenie niezwłocznego zapotrzebowania na ozon,

- obniżenie liczebności glonów.

Zwykle stosuje się dawkę ok. 1gO3/m3 wody przy czasie kontaktu 1-2 min.

Ozonowanie końcowe ma na celu:

- dezynfekcję wody,

- utlenienie związków organicznych, np. detergentów, fenoli, pestycydów, związków kompleksowych

- przemianę zanieczyszczeń do postaci biodegradowalnej,

Obniżenie dawek reagentów wymaganych do ochrony sieci wodociągowej. Dawki ozonu nie przekraczają zwykle

4 gO3/m3

wody, przy czasie kontaktu 4 min. Ozon reaguje z zanieczyszczeniami wody albo poprzez ich bezpośrednie

utlenienie, albo poprzez reakcję reaktywnych rodników powstałych z rozkładu O3.

Ozon reaguje z wieloma związkami organicznymi, które ulegają niemal całkowitemu rozkładowi, przekształcając

się w szereg innych związków. Reagują z ozonem: wielopierścieniowe węglowodory alifatyczne, detergenty,

fenole, pestycydy fosforo- i azotoorganiczne. Ozon utlenia też cyjanki, siarkowodór, azotyny.

CHLOROWANIE DWUTLENKIEM CHLORU. Wytwarza niewielkie ilości produktów ubocznych, nie tworzy

trihalometanów. ClO2 ma właściwości wybuchowe. Uzyskiwany z chlorynu sodu i kwasów solnego lub siarkowego.

Stosowany do:

- obniżenia intensywności barwy wody,

- poprawy jej smaku i zapachu,

- obniżenia liczebności glonów, co ułatwia koagulację,

- utlenienia wielu związków organicznych i nieorganicznych.

Dotychczas nie zidentyfikowano wszystkich produktów ubocznych, jakie tworzą ozon i dwutlenek chloru w

wodzie oraz ich właściwości toksycznych.

(Na podst. E. Zbieć, J.R. Dojlido, Uboczne produkty dezynfekcji wody, „Ochrona środowiska” nr 3, 1999, s. 37 - 44)

1. Klasy czystości.

Klasa I – wody nadające się do:

• Zaopatrzenia ludności w wodę do picia,
• Zaopatrzenia zakładów wymagających wody o jakości wody do picia,
• Hodowli ryb łososiowatych.

Klasa II - wody nadające się do:

• Hodowli innych ryb niż łososiowate,
• Chowu i hodowli zwierząt gospodarskich,
• Celów rekreacyjnych, uprawiania sportów wodnych oraz do urządzania zorganizowanych kąpielisk.

Klasa III - wody nadające się do:

• Zaopatrzenia zakładów innych niż zakłady wymagające wody o jakości wody do picia,
• Nawadnianie terenów rolniczych, wykorzystywanych do upraw ogrodniczych oraz upraw pod szkłem i pod osłonami z innych materiałów.

Wody silnie zanieczyszczone, w których stężenia zanieczyszczeń przekraczają wartości dopuszczalne dla wyżej wymienionych klas czystości, określane są jako wody pozaklasowe i oznaczane jako "non”.

2. Wskaźniki określające jakość wód.

Klasę czystości wody określa się na podstawie analiz fizyczno-biochemicznych, w trakcie których dokonuje się pomiaru wartości wskaźników charakteryzujących jakość wody.

W załączniku nr1 do Rozporządzenia została podana lista 57 wskaźników zanieczyszczeń śródlądowych wód powierzchniowych, spośród których najważniejsze to:

Wskaźniki chemiczne:

• Zawiesiny ogólne – są to nie rozpuszczone substancje organiczne i mineralne określane w mg/l.
• BZT – biochemiczne zapotrzebowanie na tlen. Pojęcie umowne określające ilośćtlenu w mg0₂/l, potrzebnego do utlenienia związków organicznych znajdujących się w zanieczyszczonej wodzie, na drodze biochemicznej w warunkach tlenowych. Zazwyczaj stosuje się wskaźnik BZT₅ – pięciodobowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen.
• ChZT – chemiczne zapotrzebowanie na tlen. Pojęcie umowne określające ilośćtlenu w mg0₂/l pobranego z utleniacza (KCr₂O₇) w celu utlenienia zawartych w zanieczyszczonej wodzie związków organicznych i niektórych związków nieorganicznych (azotynów, siarczanów itp.).
• Utlenialność(ChZT_Mn) – wskaźnik umowny określający ilośćtlenu w mg0₂/l pobranego z utleniacza (nadmanganianu potasu) w celu utlenienia znajdujących się w wodzie lub ściekach związków organicznych i nieorganicznych.
• Tlen rozpuszczony - mg0₂/l,
• Odczyn pH – stężenie jonów wodorowych
• Azot amonowy – mg N-NH₄/l
• Azot azotanowy - mg N-NO₃/l
• Azot ogólny – mg N_og/l
• Fosfor ogólny – mg P_og/l
• Chlorki – mg Cl/l

Wskaźniki fizyczne:

• Barwa – związana z obecnością związków organicznych rozpuszczonych i koloidalnych oraz barwnych związków nieorganicznych, określana w mg Pt/l
• Mętność– spowodowana obecnością zawiesin o różnym stopniu dyspersji oraz koloidów pochodzenia organicznego i mineralnego, wyrażana w mg/l.
• Zapach – związany z obecnością w ściekach związków organicznych i niektórych związków nieorganicznych, wyróżniamy zapachy pochodzenia naturalnego (roślinne i gnilne) i zapachy pochodzenia nienaturalnego.
• Temperatura – ⁰C

Wskaźniki biologiczne:

• Miano Coli typu kałowego – ml/bakt.
• Bakterie chorobotwórcze – ml/bakt.

Klasę czystości analizowanej wody określamy na podstawie wskaźnika, którego wartość jest najniekorzystniejsza.

3. Podstawowe normy Unii Europejskiej dotyczące jakości wód.

Zagadnienia jakości wody regulują następujące dyrektywy Rady Wspólnoty Europejskiej:

80/778/EEC w sprawie jakości wody przeznaczonej do użytkowania przez człowieka,

75/440/EEC w sprawie jakości wód powierzchniowych będących źródłem wody pitnej w państwach Wspólnoty,

78/659/EEC w sprawie jakości wód śródlądowych wymagających ochrony lub poprawy w celu utrzymania życia ryb,

76/160/EEC w sprawie jakości wód przeznaczonych do kąpieli.

W odróżnieniu od przepisów polskich regulujących analogicznie zagadnienia w dyrektywach podane są, w odniesieniu do większości wskaźników jakości wody, dwie wartości liczbowe: zalecana i maksymalna dopuszczalna. W szczególności :

ustalone są odrębne wymagania jakościowe dla trzech kategorii wody powierzchniowej przeznaczonej do pozyskania wody pitnej, przy czym podstawę wyróżnienia kategorii stanowią standardowe metody uzdatniania wody,

proste uzdatnianie fizyczne (stosuje się wówczas wymagania najostrzejsze),

typowe uzdatnianie fizyczne i chemiczne,

wysokosprawne uzdatnianie fizyczne i chemiczne (wymagania najbardziej liberalne),

poza wymaganiami jakościowymi dla wód w dyrektywach określone są metody oznaczania poszczególnych wskaźników jakości wody,

ustalono minimalną częstość?pobierania próbek do badań i oznaczania poszczególnych wskaźników jakości wody. W wypadku wody do picia zależy ona od liczby mieszkańców korzystających z danego ujęcia wody, a w wypadku wody powierzchniowej wykorzystywanej do pozyskiwania wody pitnej - także od przyporządkowania wody do określonej kategorii odpowiednio do sposobu jej uzdatniania,

dokładnie określono sposób oceny, czy woda odpowiada wymaganiom jakościowym, tj. metodę interpretacji wykonywanych systematycznie badań,

enumeratywnie wymieniono w poszczególnych dyrektywach warunki, w jakich możliwe są odstępstwa od wymagań jakościowych. Są to nadzwyczajne warunki hydrologiczne lub geograficzne, klęski żywiołowe i awarie urządzeń technicznych, a także pewne inne wyjątkowe sytuacje.

Właściwości chemiczne wody:

Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych w przyrodzie. Jest cieczą bezbarwną, bez smaku i zapachu, ma interesujące anomalia o dużym znaczeniu biologicznym. Gęstość wody podobnie jak i gęstość innych substancji zależy od temperatury. Zależność ta w przypadku wody jest specyficzna, ponieważ woda wykazuje maksimum gęstości w temperaturze 4oC. Poniżej i powyżej tej temperatury gęstość wody jest mniejsza od jedności (1g/cm3).

Dzięki temu woda w rzekach i jeziorach zamarza tylko na powierzchni, co umożliwia istnienie życia biologicznego w głębi wody. Przyczyną takiego zachowania się wody jest asocjacja jej cząsteczek na większe cząsteczki o wzorze (H2O)x o mniejszej gęstości.

Asocjacja cząsteczek wody wynika z biegunowej budowy cząsteczki wody. Kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony w rodzaju H-O-H, lecz odpowiada trójkątowi, w którego jednym wierzchołku znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Kąt między atomami wodoru wynosi ok.105o. Taka budowa cząsteczki H2O powoduje jej biegunowość elektryczną. W okolicy atomu tlenu gromadzi się więcej ładunków ujemnych, zaś w okolicy atomów wodoru istnieje przewaga ładunków dodatnich. Cząsteczki wody przyciągają się różnoimiennymi biegunami tworząc asocjaty (tj. zespoły dwóch lub więcej cząsteczek).

Woda,H2O,związek tlenu z wodorem- jest najpowszechniej występującym na naszej planecie związkiem chemicznym.

Dysocjacja

Proces ten polega na rozpadzie na jony cząsteczek, w których występują wiązania jonowe

lub spolaryzowane pod wpływem rozpuszczalnika - wody. Cząsteczki zjonizowane maja zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Dysocjacja jest odwracalna.

Podział związków chemicznych ze względu na zdolność dysocjacji:

• Nieelektrolity (nie ulegają dysocjacji)

• Elektrolity (które rozpadają się na jony pod wpływem wody):
  • mocne
  • średniej mocy
  • słabe

Przykłady elektrolitów:

• Kwasy i wodorki
• Wodorotlenki
• Sole

Dysocjacja kwasów

Związki te dysocjują na kationy wodorkowe H⁺ i aniony reszt kwasowych R^n- (n- liczba atomów wodoru):

H_nR ↔ nH⁺ + R^n-

Kationy wodorkowe zabarwiają papierek wskaźnikowy na czerwono.

Dysocjacja wodorotlenków

Związki te ulegają dysocjacji prowadzącej do powstania katonów metali Mⁿ⁺ i anionów wodorotlenkowych OH^-:

M(OH)_n ↔ Mⁿ⁺ + OH^-

Z kolei występowanie jonów hydroksylowych powoduje wybarwienie papierka wskaźnikowego na kolor niebieski.

Dysocjacja soli Substancje te ulegają dysocjacji na katony metali Mⁿ⁺ i aniony reszt kwasowych:

M_mR_n ↔ mMⁿ⁺ + nR^m-

Oczywiście dysocjacji ulegają tylko związki rozpuszczalne w wodzie.

Symbol ↔ oznacza, że reakcja zachodzi w obie strony.

Stopień dysocjacji

Stopień dysocjacji określa stosunek liczby moli cząsteczek zdysocjowanych do liczby moli cząsteczek wprowadzonych do roztworu. Jego wartość świadczy o mocy elektrolitu.

Czynniki wpływające na stopień dysocjacji:

• rodzaj elektrolitu
• rodzaj rozpuszczalnika
• stężenie roztworu (zwiększa się przy spadku stężenia)
• temperatura (zazwyczaj w podwyższonej temperaturze wzrasta)
• obecność innych substancji w roztworze

Mała wartość stopnia dysocjacji (rzędu <5%) jest charakterystyczna kwasów wieloprotonowych i zasad

z kilkoma grupami OH.

W przypadku elektrolitów o słabej mocy w jednym roztworze tworzy się równowaga pomiędzy jonami

a niezdysocjowanymi cząsteczkami, która jest opisana przy pomocy stałej równowagi K.

Jest ona wyrażona stosunkiem iloczynu określającego stężenie jonów np. [A⁺] [B^-] do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych [AB]:

Na stałą dysocjacji maja wpływ:

• stężenie elektrolitu
• temperatura
• rodzaj rozpuszczalnika

Czym większą wartość ona przyjmuje tym związek jest lepiej zdysocjowany.

PH

Woda jedynie w niewielkim stopniu ulega dysocjacji. Iloczyn jonowy wody jest wartością stałą nie tylko

w wodzie, ale także w roztworach kwasów i zasad, a wynosi 10^-14.

Dysocjacja cząsteczki wody (w sposób uproszczony ) przebiega następująco:

H₂O = H⁺ + OH^-

Odczyn (pH)

Odczyn wody to cecha roztworu elektrolitu określana przez wartość stężenia jonów wodorowych; jeżeli przeważają odszczepione w procesie dysocjacji elektrolitycznej wolne jony wodorowe (H+), mówimy o odczynie kwaśnym, jeżeli wodorotlenowe (OH-) - o odczynie zasadowym, jeśli jony te znajdują się w równowadze - o obojętnym. Woda, której odczyn jest obojętny, zawiera 0,000 0001 g H+ na 1 dm3, czyli 10 do potęgi -7 g/dm3, przy większej ilości jonów H+ wykazywać będzie reakcję kwaśną, przy mniejszej zasadową.

W praktyce dla określenia danego odczynu podajemy wykładniki odnośnych potęg, odrzucając znak ujemny; wykładniki te oznaczamy symbolem pH, np.:

pH = 7 reakcja obojętna

pH < 7 reakcja kwaśna

pH > 7 reakcja zasadowa (alkaliczna)

Odczyn roztworów wodnych można liczbowo przedstawiać za pomocą stężenia jonów wodorowych.

Cząsteczka wody dysocjuje zgodnie z równaniem:

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^_

Stan równowagi można przedstawić za pomocą wzoru:

K= [H₃O]⁺ + OH^- / [H₂O]²

K – stała dysocjacji wody.

[H₃O⁺] – stężenie jonów hydroniowych

[OH^_] – stężenie jonów wodorotlenkowych

[H₂O] – stężenie wody

Stopień dysocjacji wody chemicznie czystej wynosi 1,628·10^-9. Oznacza to, że na 614,25 milionów cząsteczek wody tylko jedna ulega dysocjacji.

Iloczyn jonowy wody [edytuj]

Szczególnie duże, praktyczne znaczenie ma iloczyn jonowy wody:

Tak zdefiniowany iloczyn jonowy jest stały tylko w przybliżeniu, podobnie jak każda stała równowagi reakcji. Po uwzględnieniu współczynników aktywności zależnych m.in. od siły jonowej roztworu i zastąpieniu stężeń [X] aktywnościami a_x jonów otrzymamy stałą o charakterze termodynamicznym:

- iloczyn jonowy wody (termodynamiczny):

Iloczyn jonowy wody jest uproszczonym wyrażeniem opisującym równowagę dynamiczną określoną przez prawo działania mas Guldberga i Waagego, w którym formalnie rzecz biorąc należałoby jeszcze uwzględnić aktywność cząsteczek niezdysocjowanych. W przypadku bardzo słabych elektrolitów takich jak woda, ze względu na słabą dysocjację stężenie cząsteczek niezdysocjowanych pozostaje praktycznie stałe i dlatego można je pominąć. Dla wody w 20°C stężenie jonów hydroniowych i wodorotlenowych jest rzędu 10^-7 mol/dm³, co odpowiada stopniowi dysocjacji ok. 2·10^-7% zdysocjowanych cząsteczek wody - autodysocjacja wody nie ma zatem praktycznie żadnego wpływu na stężenie molowe niezdysocjowanej wody w wodzie destylowanej, które wynosi ok. 55 mol/dm³

Obecność kwasów i zasad zmniejsza stopień dysocjacji wody - chociaż stężenie jednego z jonów będącego wynikiem jonizacji rośnie (np. pojawiają się protony pochodzące z dysocjacji cząsteczek kwasu), stężenie drugiego z jonów (tylko ten jon pochodzi wówczas w całości z dysocjacji cząsteczek wody) zmniejsza się zgodnie z w/w równaniem (zob. reguła przekory).

Wielkością o podobnym formalnie charakterze do iloczynu jonowego jest iloczyn rozpuszczalności, jednak w tym przypadku to aktywność ciała stałego (kryształy soli) nie zmienia się niezależnie od jego ilości w roztworze - po tzw. "przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności" - jeżeli tylko dana sól jest obecna w roztworze w postaci stałej).

izotopy H2O –36 odmian.

Najważniejsze izotopy wody:

woda zwykła –H2O(16)

woda ciężka –HDO(16)

woda z ciężkim tlenem –H2O(18)

W oceanach te odmiany występują

Istnieje pojęcie zdolności buforowych wody. Oznacza ono zdolność do utrzymywania stałego pH. Woda ma stabilny odczyn, gdy jej twardość węglanowa jest odpowiednio wysoka.

Pojemność buforowa

Działanie buforujące roztworu buforowego jest ograniczone, a skuteczność tego działania zależy od stężenia substancji składowych. Miarą zdolności roztworu buforowego do przeciwdziałania wpływom zmieniającym jego pH jest zdolność buforowa, wyrażona zwykle liczbą moli mocnego kwasu lub zasady, która wprowadzona do 1 dm³ roztworu buforowego zmienia jego pH o jedność.
Pojemność buforowa jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu buforowego. Optymalne działanie buforujące wykazuje bufor, w którym stężenie kwasu (zasady) jest w przybliżeniu równe stężeniu soli. W takich warunkach bufory są najmniej wrażliwe na dodatek mocnego kwasu lub zasady.

Metale ciężkie /Hg, Cd, Cr, Se, As, Ni Pb, Mn, Cu, Fe / . Najpoważniejszym źródłem zanieczyszczeń wód powierzchniowych metalami ciężkimi jest przemysł, ścieki przemysłowe, spływy z hałd hutniczych z zakładów wzbogacania rud metali kolorowych oraz spływy z pól, na których używano pestycydów lub soli mineralnych. Do wód opadowych i powierzchniowych metale dostają się także z powietrza zanieczyszczonego produktami spalania paliw ciekłych /Pb/ i stałych. Innym źródłem metali w wodzie jest też korozja. Metale ciężkie wywołują groźne skutki w biocenozie, są bardzo toksyczne, mogą należeć do mikroelementów których niedobór lub nadmiar działa szkodliwie na rozwój zwierząt i roślin.

ŹRÓDŁEM METALI CIĘŻKICH W ŚRODOWISKU JEST GŁÓWNIE PRZEMYSŁ

Metale ciężkie dostają się do wód i gleby przede wszystkim wskutek działalności przemysłu ciężkiego - kopalni i hut metali nieżelaznych - ale także np. wytwórni świetlówek tworzyw sztucznych. Do najgroźniejszych, bo powszechnie używanych metali ciężkich należą rtęć i ołów. Lista trujących metali jest długa, zawiera m.in. kadm, chrom, tal, a także cynk i miedź - dwa pierwiastki, które w śladowych ilościach są niezbędne dla organizmu, w dużym stężeniu jednak są trujące. Skażenie metalami ciężkimi jest bardzo duże wokół kopalni i hut cynku i ołowiu. Najbliższe okolice huty w Szopienicach są tak zatrute, że nie rosną tam żadne rośliny.

Promieniotwórcze skażenie wód

Radioaktywność (promieniotwórczość) jest definiowana jako zjawisko samorzutnego przekształcania się nietrwałych izotopów jednego pierwiastka w drugi z towarzyszącą przy tym emisją promieniowania jądrowego. Promieniotwórczość nuklidów, które istnieją w przyrodzie jest radioaktywnością naturalną, a nuklidów otrzymanych w reakcjach jądrowych – radioaktywnością sztuczną lub wzbudzoną.

Pierwiastki radioaktywne są rozpowszechnione w skałach i stamtąd trafiają do wód naturalnych, powodując ich radoczynność.

Rodzaj skał	Zawartość radu gRa*1/kg
Skały magmowe kwaśne	1,37*10-12
Skały magmowe zasadowe	0,38*10-12
Skały osadowe	0,57*10-12

Przeciętna zawartość radu w skałach.

Radioaktywność naturalną powodują takie pierwiastki jak: ²²⁶Ra, ²²²Ru, ²³⁸U, ²³⁰Th, ²¹⁰Pb, ⁴⁰K oraz izotopy atmosferyczne przenikające do wód: ³H(3), ¹⁴C(14). Nabyta promieniotwórczość jest spowodowana zanieczyszczeniem wód izotopami: ⁹⁰Sr, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Y, ⁹¹Y, ¹³¹I, ¹³²I, ¹³⁷Cs, ¹⁴¹Cs, ¹⁴⁴Ce, ³²P. Każdy radionuklid cechują: półokres rozpadu (okres połowicznego rozpadu) i energia rozpadu. Jednostką radioaktywności jest curie Ci. Jest to ilość substancji promieniotwórczej, w której zachodzi 3,7*10^-10 przemian. W chemii wody stosuje się mniejsze jednostki: mikro-, nano-, piko- kiur:

1 Ci* dm^-1= 10^-6 Ci*dm^-1

1 nCi* dm^-1= 10^-9 Ci* dm^-1

1 pCi* dm^-1= 10^-12 Ci* dm^-1

Do określania ilości radonu używa się jednostki Mackowa, IM albo Mj . Jest to taka ilość radonu, która w komorze jonizującej generuje prąd równy 0,001jednostki elektrostatycznej.

1IM = 372 pCi*dm^-1

Wody z naturalną radioaktywnością dzieli się na 2 grupy :zawierające radon i tylko emanację radu – są to wody radonowe, do których zalicza się większość wód uzdrowiskowych; radowe o znacznej zawartości radu, przeważnie wody głębinowe.

Radinuklidy mogą występować w wodach bądź w postaci rozpuszczonej, jako jony lub kompleksy, bądź w postaci nierozpuszczonej. Formy występowania zależą od pH środowiska potencjału redoks i składu wody. W środowisku kwaśnym występują jony UO2⁺², Th⁺⁴ ,Ra⁺². Część substancji radioaktywnych kumuluje się w organizmach flory i fauny. Do najpospolitszych izotopów występujących w wodach należą radon, uran, rad. Ich stęż. wynosi od 0,1 do 50 mg.m^-3 , a aktywność 0,02 - 3,4 pCi*dm^-3. Woda zawierająca do 10^-7g Ra*m^-3 zalicza się do słabo radioaktywnych, 10^-7do 10^–6 – średnio aktywnych, ponad 10^–6 g Ra*m^-3 do mocno radioaktywnych.

Radioaktywność sztuczna może też pochodzić z zanieczyszczenia wód substancjami promieniotwórczymi, np. podczas wydobywania i wzbogacania rud uranu, eksploatacji reaktorów atomowych bądź też otrzymywania i zastosowania izotopów. Zanieczyszczenia te mogą być bardzo groźne dla organizmu człowieka, zwierząt i roślin. Najbardziej szkodliwe są substancje o długim okresie połowicznego rozkładu ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²³⁸U. Ich dopuszczalne stęż. w wodzie nie może przekraczać 10^-4Ci* cm^-3.

Gazy rozpuszczone .

Gazy rozpuszczone w wodach naturalnych:

Należą tu przede wszystkim : CO2, O2, N2, H2S,CH4, SO2, H2, Rn, i inne

Mogą być pochodzenia :

• atmosferycznego : CO₂. O₂, N₂, SO₂, inne
• chemicznego : CO₂, H₂S, H₂,N₂,CH₄, SO₂, inne
• biochemicznego : CH₄, H₂, CO₂, N₂, H₂S, i te pochodzące z rozkładu substancji organicznych w warunkach aerobowych i anaerobowych
• Radioaktywnego : Rn, He, T

Znaczenie :

geologiczne : zmieniają właściwości wody

lecznicze : oddziałują na organizm ludzki

techniczne : działanie agresywne na materiały budowlane.

Tlen Rozpuszczony :

W wodzie pochodzi z atmosfery i niekiedy z fotosyntezy roślin wodnych. Zatem znajduje się w wodzach naturalnych mających styczność z atmosferą (opadowe, powierzchniowe, płytkie wody podziemne). Zużywany jest na oddychanie organizmów wodnych, utlenianie substancji nieorganicznych, procesy rozkładu biochemicznego substancji organicznych. W czystych wodach powierzchniowych zawartość zwykle odp 100%. Stopień nasycenia liczy się ze wzoru:

x= ( C1* 1013,25*100)/ C2*p

W tych wodach gdzie zanieczyszczenie jest organiczne O₂ zużywa się na procesy biochemiczne (rozkład tych substancji) więc jego zawartość może się zmniejszać poniżej 100% nasycenia. Im większe tego typu zanieczyszczenie tym większe jest BZT a zawartość tlenu mniejsza. Zmniejszenie jego zawartości poniżej 40% wywołuje zaburzenia w biocenozie. A kiedy zmniejszy się do zera przeważają procesy anaerobowe. Taki deficyt może być powodowany : odprowadzaniem nadmiernej ilości zanieczyszczeń organicznych do wody, odprowadzaniem ścieków o wysokiej temp. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie ilości O₂ rozpuszczonego w wodzie. W głębokich wodach występuję 3 okresy stagnacji (okres letni i zimowy):

1. epilimnion (warstwa nadskokowa, głębokość 2-3 m, stała cyrkulacja i kontakt z atmosferą, zawartość tlenu zależna od czystości wody)
2. Metalimnion( termoklina)(warstwa skokowa, grubość 1m, pod warstwą naskokową, niewiele O2 rozpuszczonego)
3. Hypolimnion ( warstwa podskokowa, pod termokliną, sięga dna jeziora, pozbawiona tlenu lub zawiera jego niewielkie ilości)

Okres wiosenny i jesienny ; występuje cyrkulacja na skutek zmian temp, cała woda miesza się, O2 wyrównuje się, W płytkich wodach stojących powierzchniowych, przy silnym nasłonecznieniu, dochodzi do przesycenia wody tlenem. Dzieje się tak przez intensywną fotosyntezę roślin wodnych.

Intensywniej przebiega im woda jest bardziej nasłoneczniona. Obserwuje się więc dobowe i sezonowe zmiany zawartości tlenu. Jego zawartość oznacza się w wodach powierzchniowych oraz tych w których tlen rozp jest niepożądanym składnikiem. Działanie agresywnego CO₂ i O₂ rozp :

1. 2H⁺ + Fe = H₂ + Fe ²⁺

2. H₂ + 0,5 O₂ = H₂O

3. Są to reakcje powodujące korozję przewodów i urządzeń metalowych .

Dwutlenek węgla :

Jest niemal we wszystkich wodach naturalnych. Pochodzi z atmosfery, tlenowe beztlenowe procesy rozkładu zw org. , procesy geochemiczne i metavioiczner org żywych. CO₂ jest pochłaniany z atmosfery wtedy, gdy jego zawartość w wodzie jest mniejsza niż jego rozpuszczalność. Powietrze atmosferyczne zawiera 0,03 % CO₂, ciśnienie 3,040 hPa. Dla tych warunków w CO₂ w wodzie wynosi ok 0,7 g/m-3. W wodach jeziornych i rzecznych ta zawartość jest na ogół większa więc nie pochłaniają go z atmosfery. Na ogół wydzielają one go do atmosfery. Na odwrót jest w wodach opadowych i morzach i oceanach. Najmniej CO₂ mają wody płytkie stojące., dobrze nasłonecznione i nagrzane. Fotosynteza zachodząca w tych wodach powoduje często wyczerpanie CO₂ i zwiEksza zasadowość wody pH=>8,3. Wody rzeczne i jeziorne = 10-20 g*m-3 CO2, wody podziemne = 20-40 g*m-3 CO₂. Najwięcej mają go wody mineralne.

CO₂ może występować też w postaci rozpuszczonych cząstek CO₂, 1% z nich tworzy kwas węglowy w reakcji z wodą. Kwas węglowy dysocjuje na :

1.CO₂(g) + H₂O =H₂CO₃

2.H₂CO₃ = H⁺ + HCO3-

3.HCO3- = H+ + jon CO3 2-

Równowaga między CO2 i jego jonami zależy od pH. Całkowita zawartość co2 w wodzie to suma jego zawartości w różnych postaciach.

CO2 ogólny dzieli się na : Wolny CO2 ( on dzieli się na agresywny CO2 i na Przynależny co2) oraz na związany CO2 ( dzieli się na związany CO2 =CO3 2- i na półzwiązany CO2 =HCO3-) .

CO2 powoduje korozję i stwarza problemy gospodarcze i techniczne. Higieniczny pkt widzenia = nie ma większego znaczenia jego zawartość w wodzie. Jest niekiedy wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia wody powierzchniowej substancjami organicznymi. Jest ważnym czynnikiem w migracji węgla w przyrodzie.

Siarkowodór:

Może być pochodzenia mineralnego, organicznego lub biologicznego.

Mineralne pochodzenie – wody podziemne w obecności CO2 i związków żelaza na skutek rozkładu siarczków metali :

1. FeS2 + C2CO2 + 2H2O = Fe(HCO3)2 +H2S +S

2.FeS + 2CO2 + 2H2O = Fe(HCO3)2 +H2S

Pochodzenia organicznego : beztlenowy rozkłąd związków organicznych zawierających siarkę.

Pochodzenia biologicznego : z siarczanó na skutek ich redukcji przez bakterie siarkowe:

3 n CaSO4 + CnH2n = 3 nCaS + nCO2 +nH2O

CaS + CO2 +H2O = CaCO3 + H2S

MeSO4 + CH4 =MeCO3 + H2S+H2O

Wody roponośne mają mało siarczanów ale więcej siarkowodoru i siarczków. Redukcja siarczanów zachodzi też w głębokich warstwach jezior, mórz i oceanów. Źródłem siarkowodoru jest też wulkan, niektóre ścieki przemysłowe.

Siarkowodór dysocjuje na :

H2S = H+ + HS-

HS- = H+ + jon S2-

W pH <5 jony HS- nie występują, siarkowodór jest jako gaz rozpuszczony, w pH = 7 są jony HS-, w wodzie o pH 5<pH<7 nie ma H2S ani jonów HS-; gdy pH > 9 H2S nie bierze się pod uwagę. Jony S2- są tylko w wodzie pH >10 .

W środowisku tlenowym H2S i siarczki utleniają się do siarki lub siarczanów:

H2S + 0.5 O2 = H2O + S

H2S +2O2 = H2SO4

Siarkowodó łatwo ulatnia się z wody do atmosfery. W wodzie gdzie jest tlen rozpuszczony , siarkowodór nie występuje bądź jest jego śladowa ilość. Jeśli woda zawiera siarkowodór to jest zanieczyszczona substancjami grganicznymi i brak jest tlenu. W wodach powierzchniowych, zbiornikach wodnych i powierzchniowych występuje na dużych głębokościach. Dużo go posiadają wody z kololic warstw roponośnych. Jego obecność daje nieprezyjemny zapach i smak. Nadaje on wodzie cechy korozyjne. Agresywne działanie ma woda zawierająca 1 g H2S w 1m3. Powoduje on rozwój bakterii siarkowych. Redukują one siarczany.

Inne gazy w wodach naturalnych :

ponadto zawierają N2, CH4, NH3, SO2, H2, CO, He, Ar, Ne, Rn i inne. Pochodzą w wodzie z atmosfery, procesów chemicznych i biochemicznych, Azot : z atmosfery i denitryfikacji azotynów i azotanów. Wodór metan i amoniak i tlenek węgla – procesy chemiczne i biochemiczne. Gazy szl;achetne – wody opadowe i powierzchniowe, podziemne. Azot argon neon hel – wody mineralne z głębokich źródeł. Wody mają różnorodny skłąd gazowy. Zależny od środowiska z którego pochodzi. Wody lodowcowe – H2S i metan. Wody morskie – deficyt tlenu. Przesycenie CO2, zawartość siarkowodoru i metanu (przez brak całkowitej cyrkulacji ). Wody opadowe i powierzchniowe – tlen, CO2, azot. Azotu jest więcej niż tlenu. Z powodu większego ciśnienia cząstkowego azotu niż tlenu. W wodach podziemnych tlen maleje wraz zgłębokością, wody wgłębne nie mają tlenu ale za to mają H2S, metan, CO2, N2, H2, Rn i inne.

7. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE WODY.

• Woda -bezwonna, bezbarwna (w cienkich warstwach) lub niebieskawa (w grubszych warstwach wskutek absorpcji promieniowania czerwonego) ciecz. Wykazuje ona właściwości:

-maksymalna gęstość-0,999972 kg/m³ w temp. 277,14 K,

-rozszerzalność podczas krzepnięcia,

-duże napięcie powierzchniowe,

-bardzo duże ciepło właściwe w porównaniu z innymi cieczami,

-stosunkowo duże przewodnictwo cieplne,

-duża stała dialektyczna,

-duża zdolność rozpuszczająca,

-duża zdolność jonizująca,

-duża zdolność tworzenia układów koloidowych.

• Stała dielektryczna-wartość, która wskazuje, ile razy wzajemne oddziaływanie między ładunkami e1 i e2 w danym ośrodku jest słabsze niż w próżni.

ɛ = gdzie ɛ- stała dielektryczna,

c0-pojemność elektryczna kondensatora próżniowego,

c- pojemność elektryczna tego samego kondensatora wypełnionego substancją o stałej dielektrycznej

Stała dielektryczna wody w temp. 273,16 K wynosi 88 i wraz ze wzrostem temperatury maleje. Duża stała dielektryczna wody tłumaczy wyjątkową zdolność wody do rozpuszczania innych substancji. Stałe dielektryczne określają również wzajemną mieszalność cieczy.

• Gęstość-parametr, na który wpływ ma temperatura wody.

-podczas oziębiania-gęstość wody zwiększa się (ale tylko do temp. ok. 277,14 K)

-od 276,84-277,14-gęstość wody jest największa (wynosi 0,999972±0,000002 kg/m³).jest możliwość życia organizmów pod wodą w okresie zimy.

-dalsze oziębianie-gęstość wody maleje w sposób ciągły

-w temp. 273,16 K podczas krzepnięcia-gęstość wody zmniejsza się w sposób nie ciągły do gęstości lodu.

Gęstość wody w temp. 273,16 K wynosi 0,999868 kg/m³, a gęstość lodu 0,9168 kg/m³.

• Ciepło właściwe-ilość potrzeba do ogrzania (ochłodzenia) 1kg (1g) substancji o 1˚.Ciepło właściwe w danej temperaturze nazywa się ciepłem właściwym rzeczywistym:

c =

Dla skończonego przyrostu temperatury ciepło właściwe jest średnim ciepłem właściwym w zakresie temperatur T1-T2:

c =

Ponieważ stosunek ΔQ/ΔT nazywany jest pojemnością cieplną, ciepło właściwe bywa czasami nazywane pojemnością cieplną właściwą. Rozróżniamy:

-ciepło właściwe pod stałym ciśnieniem- cp (ilość ciepła, która w temp. T jest potrzebna do ogrzania pod stałym ciśnieniem 1 kg substancji o 1˚).

-ciepło właściwe w stałej objętości- cv (ilość ciepła, która w temp. T jest potrzebna do ogrzania w stałej objętości 1kg substancji o 1˚).

cp-cv = vT≥ 0 gdzie, v-objętość

-współczynnik rozszerzalności

k- współczynnik ściśliwości

T- temperatura

W temp. 277,16K cp=cv i wtedy a=0.

Ciepło właściwe wody, zarówno pod stałym ciśnieniem, jak i w stałej objętości zmienia się wraz z temperaturą anomalnie: w miarę wzrostu temperatury ciepło właściwe wody początkowo maleje, osiągając najmniejszą wartość w temp. 313K i od tej temperatury ponownie zwiększa się (anomalna zależność wynika z występowania wiązań wodorowych między cząsteczkami wody i ich dezasocjacji w miarę wzrostu temperatury).

Duża wartość (w porównaniu z innymi cieczami) ciepła właściwego wody powoduje, że oceany, które pokrywają większość powierzchni Ziemi, działają jak regulatory temperatury: latem wchłaniają nadmiar ciepła, a zimą oddają ciepło otoczeniu.

• Przewodnictwo cieplne wody-jest 680-krotnie mniejsze niż przewodnictwo cieplne miedzi, 720-krotnie mniejsze niż srebra. Przewodnictwo cieplne wody w zakresie temperatur 273,16-353,16K można obliczyć według wzoru Jacobsona:

Przewodnictwo cieplne wody = 0,0012926[1+0,003(T-273,16)], gdzie T- temperatura

Przewodnictwo cieplne lodu w temp. 273,16K wynosi 222 .

• Napięcie powierzchniowe cieczy-zdolność do samorzutnego zmniejszania powierzchni cieczy. Ciecze mają zatem tendencję do przyjmowania kształtu kulistego, gdyż kształtowi temu w danej objętości odpowiada najmniejsza powierzchnia.

Znaczne napięcie powierzchniowe wody (0,0728 ) jest wynikiem występowania międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, które łączą cząsteczki w duże asocjaty. Zarówno wiązania wodorowe, jak i związana z tym struktura asocjatów wody zależą w dużym stopniu od temperatury, zatem napięcie powierzchniowe wody zmienia się wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wody jej napięcie powierzchniowe maleje.

Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko włoskowatości (kapilarności), czyli wznoszenia się cieczy w kapilarach:

-siły adhezji (np. woda)-przyleganie cieczy do powierzchni szkła

-siły kohezji (np. rtęć)-siły spójności

Działanie piorące i myjące detergentów polega m.in. na tym, że zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, a tym samym polepszają jej właściwości zwilżające.

• Konduktywność elektryczna-to przewodnictwo 1cm³ roztworu:

K = gdzie K- konduktywność

l-odległość

S-powierzchnia

R- rezystancja

Do pomiaru konduktywności elektrycznej wody (lub innego roztworu elektrolitu) stosuje się szklane naczyńko z dwiema jednakowymi elektrodami z blachy platynowej. Stosunek odległości (l) między elektrodami do powierzchni (S) elektrody nazywamy stałą naczynka (k) lub pojemnością oporową naczyńka

k = zatem K =

Woda absolutnie czysta jest słabym przewodnikiem elektryczności. Jej konduktywność jest bardzo mała i w temp. 291 K wynosi 4,41· .

Ze wzrostem temperatury konduktywność wody zwiększa się, gdyż zwiększa się również stopień dysocjacji wody i zawartość elektrolitów w wodzie.

• Absorpcja promieniowania-zdolność do pochłaniania promieniowania przez substancję.

Woda jako związek chemiczny w stanie ciekłym jest symbolem przeźroczystości. W rzeczywistości absorbuje ona promieniowanie widzialne w sposób mało widoczny. W dużej warstwie zatrzymywanie promieni czerwonych o długości fali 0,61-076 µm sprawia, że woda ma zabarwienie niebieskie. Jednak niebieskie zabarwienie w niektórych jeziorach wywołane jest zjawiskiem Tyndalla na skutek zawieszonych w wodzie cząstek koloidalnych.

Woda absorbuje znacznie silniej promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe niż widzialne. Woda absorbuje światło o długości fali poniżej 190 nm i powyżej 1100 nm.