Практичне заняття № 5

Тема: Екологічна хімія гідросфери (2 год.)

Мета: Систематизувати знання студентів про гідросферу. Акцентувати увагу на значенні води в природі. Повторити класифікацію природних вод за хімічним складом. Розглянути види забруднень води та їх наслідки. Узагальнити знання про самоочищення водойм і процеси евтрофікації в природних водоймах.

Питання до теми

1. Що називають гідросферою?

2. Вода як природний розчинник.

3. Роль води в природі.

4. Джерела забруднення води.

5. Самоочищення вод.

6. Евтрофікація водойм.

7. Забруднення океанів і морів нафтою і нафтопродуктами.

Методичні поради

Через високу розчинну та реакційну здатність вода у природі в чистому вигляді не зустрічається. Усі прісні та мінералізовані води є природними розчинами. Це води річок, озер, морів, океанів, ґрунтові води та ґрунтові розчини. Хімічний склад природних вод є складним комплексом розчинених газів, різних мінеральних солей та органічних сполук. У природних водах розчинені майже всі відомі на землі хімічні елементи.

Залежно від походження вона містить різні розчинені та завислі речовини. Дощова вода часто містить незначну кількість нітрату амонію та інших солей, морська – багато різних солей. До складу підземних вод входять складові речовини порід, серед яких вони протікають.

Хімічний склад природних вод ділять на шість груп.

1. Основні йони (макрокомпоненти) – К⁺, Nа⁺, Са²⁺, Мg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-.

2. Розчиненні газ - кисень (О₂), азот (N₂) сірководень (Н₂S), вуглекислий газ (СО₂) тощо.

3. Біогенні речовини – сполуки Нітрогену, Фосфору, Феруму і Силіцію.

4. Органічні речовини – різноманітні сполуки, які належать до органічних кислот, складних ефірів, фенолів, гумусових речовин, нітрогеновмісних сполук (білки, амінокислоти, аміни) та багатьох інших.

5. Мікроелементи – всі метали за винятком головних йонів (К⁺, Nа⁺, Са²⁺, Мg²⁺), а також деякі інші компоненти, які містяться у водах в невеликих кількостях - <1 мг/л (наприклад радіоактивні елементи).

6. Забруднюючи речовини (пестициди, нафтопродукти, феноли тощо).

Із розчинених у воді газів найбільше значення мають кисень, аміак, сірководень та оксид карбону (ІV). Вміст у воді основних компонентів повітря (азоту, кисню, діоксину карбону) знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем.

Розчинність газів у воді залежить від їх природи, температури, їонної сили розчину і атмосферного тиску. У воді краще розчиняються гази, молекули яких полярні (NO, CO, CH₃Cl) а також гази, які хімічно взаємодіють з водою (NН₃, СО₂, SО₃).

На розчинність газів у воді значною мірою впливає температура. Процес розчинення газів у воді процес екзотермічний, тобто з підвищенням температури розчинність газів зменшується.

Найсильніше впливає на розчинність газів тиск. Якщо суміщ газів, що не реагують між собою, утворює певний тиск, то вклад кожного із газів у загальний тиск називається парціальним тиском.

Закон Генрі: при сталій температурі розчинність газу прямо пропорційна парціальному тиску газу над рідиною

С =К·р,

де С – концентрація газу в рідині;

р – парціальний тиск газу над розчином;

К – коефіцієнт пропорціональності, який називають сталою Генрі.

Основним джерелом надходження кисню у водойми є газообмін з атмосферою, фотосинтез водяними рослинами та зливові і талі води, які зазвичай перенасичені киснем. Розчинений у воді кисень використовується гідробіонтами для дихання та окиснення органічних речовин. Тому низький його вміст негативно впливає на весь комплекс біохімічних і екологічних процесів у водному об’єкті.

Діоксид карбону міститься у всіх водах переважно в вільному стані у вигляді СО₂. Розчиненість СО₂ вища, ніж кисню. Лише частина молекул СО₂ (близько 1%) взаємодіє з водою з утворенням вугільної кислоти Н₂СО₃. Вуглекислий газ, що розчиняється, є джерелом утворення гідрогенкарбонатних йонів.

Сірководень у природних поверхневих водах або відсутній, або може накопичуватися в придонних шарах під час гниття органічних решток в анаеробних умовах, особливо взимку. Він є продуктом розкладення сульфуровмісних білкових речовин. Присутність сірководню є ознакою забруднення води органічними речовинами.

Розчинений у воді аміак також вказує на її забруднення. У природних водах аміак міститься у вигляді йонів амонію. У результаті діючих бактерій він поступово окислюється до нітрит-, а потім нітрат-йонів. Аміак утворюється переважно під час біохімічних процесів, що відбуваються за наявності бактерій і ферментів, які зумовлюють розкладання білкових амінокислот. Вміст аміаку у природних водах не перевищує десятих часток міліграма. У разі біологічних забруднень його концентрація значно збільшується.

Розчинені у воді солі зазвичай представлені йонами HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺. Вміст кожного із цих іонів у природних водах не знижується нижче 10 мг/дм³, тому вони утворюють групу макроелементів і за своїм домінуванням у хімічному складі води класифікуються ще й як головні йони. Оскільки сума перерахованих вище головних йонів становить 90-95% мінерального складу прісних вод, то її часто називають мінералізацією води, яка слугує кількісною характеристикою розчинених у воді мінеральних речовин.

Головні йони (сольові компоненти): хлориди, сульфати, гідрокарбонати натрію, калію, магнію та кальцію надходять до поверхневих вод суші в основному внаслідок розчинення у воді різних гірських порід, мінералів, солей тощо.

Гідрокарбонати та карбонатні йони – найважливіша частина хімічного складу природних вод, оскільки основний внесок йонного складу маломінералізованих вод належить переважно гідрокарбонатам кальцію і магнію.

Основне джерело цих йонів – поширені в природі карбонатні породи (вапняки, мергелі, доломіти), розчинення яких описується рівняннями:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca²⁺ + 2HCO₃^¯

MgCO₃ + H₂O + CO₂ = Mg²⁺ + 2HCO₃^¯

Обидва йони HCO₃^- i CO₃^2-, перебувають в розчинні в динамічній рівновазі між власне карбонатною кислотою й складовими йонами в певних кількісних відношеннях. Зміна вмісту одного з компонентів цієї рівноваги приводить до змінення іншого. Ці йони утворюють карбонатну систему хімічної рівноваги, надзвичайно важливу для природних вод. Карбонатна система є найскладнішою в природних водах. Загальний вміст її компонентів у моль/л, має вигляд суми:

ΣСО₂ = [CO₂] + [H₂CO₃] + [CO₃^2-] + [HCO₃^-]

У річкових водах вміст гідрокарбонатних і карбонатних йонів коливається від 30 до 400 мг HCO₃ ^-/дм³, в озерах - від 1 до 500 мг HCO₃^-/дм³, у морській воді - від 100 до 200 мг/дм³, в атмосферних осадках - від 30 до 100 мг/дм³, у грунтових - від 150 до 300 мг/дм³, у підземних водах - від 150 до 900 мг/дм³.

Карбонатна система бере участь в обміні повітря-поверхневі шари, впливає на хімію водної системи, біологічну структуру організмів та відкладення осаду, що містить Карбон. Від цієї системи залежить рН водного середовища. Карбонатна система відіграє важливу буферну роль, запобігаючи різким змінам рН водного середовища, яке негативно позначається на гідробіонтах.

pH води - один із найважливіших показників якості вод. Концентрація йонів Гідрогену має велике значення для хімічних і біологічних процесів, що відбуваються в природних водах. Від величини pН залежить розвиток і життєдіяльність водяних рослин, сталість різноманітних форм міграції елементів, агресивна дія води на метали і бетон. pН води також впливає на процеси перетворення різноманітних форм біогенних елементів, змінює токсичність забруднюючих речовин.

Зниження рН сприяє підвищенню розчинності карбонатів, сульфідів, фосфатів важких металів, збільшенню їх міграції і доступності для засвоєння живими організмами, отруєнню. Підкислені дощові води, стікаючи по поверхні суші і просочуючись у нижні шари ґрунту, краще розчиняють карбонатні та інші породи, збільшуючи вміст йонів Кальцію, Магнію, Силіцію в підземних і річних водах.

Твердість води зумовлена наявністю солей кальцію і магнію. Розрізняють карбонатну і некарбонатну твердість, перша зумовлена гідрокарбонатами, друга - переважно хлори­дами і сульфатами кальцію і магнію. Карбонатну твердість ще називають тимчасовою, або усувною, оскільки під час кип'ятіння гідрокарбонати руйнуються і випадають в осад карбонати і гідроксокарбонати:

Са(НСО₃)₂ СаСО₃↓ + Н₂O + СО₂↑;

Mg(HCO₃) MgCO₃↓ + H₂O + СО₂↑;

2Mg(HCO₃)₂ (MgOH)₂CO₃↓ + Н₂O + 3СО₂↑,

Постійна твердість води зумовлена наявністю в ній сульфатів і хлоридів магнію та кальцію. При кип'ятінні ці солі не випадають із розчину, тому її і називають постійною твердістю.

Катіони кальцію зумовлюють кальцієву твердість, катіони магнію – магнієву. Загальну твердість води виражають сумою концентрацій іонів Са²⁺ та Мg²⁺ (ммольекв/л). 1 ммоль-екв. твердості води відповідає вмісту 20,04 мг/л Са²⁺ або 12,6 мг/л Мg²⁺ . Загальну твердість води визначають за формулою:

де [Ca²⁺] та [Mg²⁺] – концентрація йонів Са²⁺ і Mg²⁺, мг/л.

Класифікація природних вод за величиною твердості

Води	Твердість, ммоль/л
Дуже м'які	до 1,5
М'які	1,5 - 3
Середні	3 – 6
Тверді	6 -10
Дуже тверді	>10

Твердість поверхневих вод, як правило, менше твердості підземних вод. Твердість поверхневих вод піддасться помітним сезонним коливанням, досягаючи звичайно найбільшого значення наприкінці зими і найменшого в період паводка, коли рясно розбавляється м'якою дощовою і талою водою. Загальна твердість природних вод знаходиться звичайно в межах 1,5 - 11 ммоль екв/л. Морська й океанічна вода мають дуже високу твердість (десятки і сотні мг-екв/л). Оптимальні показники твердості води у прісних водоймах 3 – 5 ммоль екв/л.

Теми рефератів та доповідей (до самостійної роботи):

1. Прісні та морські водні системи.

2. Стічні води, їх очищення.