3375

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

Методические указания для самостоятельной работы по теме

«Химия и экология воды»

для студентов 1 курса всех специальностей ВГЛТА

Воронеж 2007

2

УДК 546 + 547 (075)

Химия [Текст] : метод. указания для самостоятельной работы по теме «Химия и экология воды» студентов 1 курса всех специальностей ВГЛТА / Л. И. Бельчинская, О. А. Ткачева, Л. А. Новикова, Н. А. Ходосова ; под. ред. Л. И. Бельчинской ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 40 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «ВГЛТА»

Рецензент канд. хим. наук, доц. кафедры аналитической химии ВГТА П. Т. Суханов

3

ВВЕДЕНИЕ

Современный инженер любой специальности должен представлять, какой удельный вес загрязнений вносит его производство в окружающую среду. Необходимо стремиться к снижению этого показателя за счет использования комплексной переработки сырья, малоотходной и безотходной технологий, а также утилизации вторичных ресурсов промышленности.

Проблема охраны природы и окружающей среды возникла сравнительно недавно и обострилась в настоящее время из-за усиленного нарушения естественного круговорота веществ в природе, последствия которого отрицательно сказываются на здоровье человека и на окружающей среде.

В настоящее время во всем мире ежегодно извлекается и перемещается примерно 100 млрд т сырья, т.е. примерно 20 т на каждого человека. При этом в готовую продукцию переходит не более 5 % сырья, в то время как 95 % в виде отходов возвращаются в природу в измененном состоянии, загрязняя почвы, воздушную и водную среду.

Загрязнение воды происходит в результате сбрасывания в реки и озера недостаточно очищенных сточных вод промышленных предприятий и канализационных вод городов, а также смывания паводковыми водами удобрений и пестицидов с полей, таяния загрязненного снега и льда. Токсичные для человека соли (нитраты, нитриты, фосфаты, соединения аммония и др.), попадая в пруды и озера, вызывают бурное развитие микроорганизмов, эвтрофикацию, приводящую к нехватке кислорода и гибели земноводных и рыб. Соединения тяжелых металлов, кислоты, соли и щелочи попадают в воду из сточных вод предприятий металлургической, пищевой, фармацевтической, химической, текстильной, легкой, кожевенной и деревообрабатывающей промышленностей.

Понимание и успешное решение проблемы охраны окружающей среды невозможно без знания информации о закономерностях протекания химических процессов в биосфере.

4

1 РОЛЬ ВОДЫ НА ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ

1.1 Источники воды на Земле

Водную оболочку Земли, представляющую собой совокупность вод океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных источников, ледников, называют гидросферой.

Объем гидросферы составляет около 1,400 млрд км3. Вода занимает примерно 3/4 поверхности земного шара. Из общего количества воды – 97 % океанская вода. Из оставшихся 3 % – более 2/3 находится в состоянии льда или в глубинах земли.

На протяжении геологической истории Земли природные процессы (геологические, геохимические, биологические, тепловые) изменяли природу Мирового океана. В настоящее время Мировой океан является важнейшим источником пищевых продуктов и минерального сырья. Из морской воды добывают около 200 тыс. т магния, что составляет почти половину его мировой добычи. Значительная площадь дна Мирового океана богата оксидами железа и марганца, которые содержат значительные примеси оксидов молибдена, кобальта, хрома, никеля.

Ватмосфере содержится 0,001 % общих запасов свободной воды в виде водяного пара, тумана, облаков, капель дождя и кристаллов снега. Атмосферная вода формирует и восполняет водные ресурсы, определяет водность рек, озер, болот. Вода в приземных слоях атмосферы подвержена главным образом антропогенному загрязнению. Выбросы промышленных предприятий приводят к таким негативным последствиям, как кислотные дожди и радиоактивные осадки.

Вверхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся обширные запасы подземных вод общим объемом 23,7 млн км3. Это так называемая свободная вода, которая перемещается по трещинам горных пород. Но под землей находится еще и химически связанная вода: в известняках ее 0,8, в песчаниках – 1,6, в сланцах и глинах – 5, в кристаллических по-

родах – около 1,25 %. Выделяется она лишь при их нагревании до температуры 1200 оС, и ее объем составляет 420 млн км3. Подземные воды распространены по всей территории России, они имеют важное хозяйственное значение, являются одним из источников питания рек. Наряду с поверхностными подземные воды являются основой водного фонда России и служат

главным образом для питьевых целей. Естественные ресурсы подземных вод составляют 787,5 км3 в год.

Из общего количества воды на нашей планете доля пресных вод составляет немногим более 2 %, или примерно 28,25 млн км3. Подавляющая

часть пресной воды труднодоступна. Почти 70 % пресной воды заключено в покровных и горных ледниках. Льды покрывают 16 млн км2 суши, из них

5

14 млн км2 находятся в Антарктиде. Общий объем льда на Земле составляет 24 млн км3.

На территории России в арктических ледниках в виде льда законсервировано около 35 тыс. км3 статических запасов пресной воды, а в горных ледниках Урала, Сибири, Алтая и Камчатки этот запас составляет 5 тыс. км3.

Реки, озера и болота являются основным источником пресных вод, используемых в производственной и хозяйственной деятельности. На территории России насчитывается свыше 2,5 млн больших и малых рек, более 2 млн озер, сотни тысяч болот, тысячи искусственных водохранилищ, прудов, каналов и других водоемов. Россия по ресурсам поверхностных вод занимает одно из ведущих мест в мире.

Большие запасы воды на нашей планете создают впечатление о ее неисчерпаемом изобилии. Однако следует иметь в виду, что гидросфера - самая тонкая оболочка Земли. На воду во всех ее состояниях и во всех средах приходится меньше 0,001 массы планеты, и лишь незначительная часть запасов воды оказывается доступной и пригодной для практического использования.

Несмотря на неравномерное распределение воды по поверхности земного шара, все воды Земли едины по своему происхождению, так как гидросфера находится в состоянии непрерывного движения, развития и обновления. Движущими силами круговорота воды являются тепловая энергия и сила тяжести. Под действием тепла происходят процессы испарения, конденсации водяных паров. Под влиянием силы тяжести – падение капель дождя, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Ежегодно с поверхности Земли испаряется 0,5 млн км3 воды, что составляет половину объема всех водоемов суши. Водяные пары атмосферы обновляются в течение десяти суток. Вода рек в результате стока сменяется каждые 12 суток. Вода озер обновляется каждые 10 лет. Воды мирового океана полностью сменяются каждые 3 тыс. лет, а в самой малоподвижной форме воды – в ледниках – полный водообмен происходит за 8,5 тыс. лет.

Трудно переоценить значение воды для жизни на Земле. Являясь наилучшим растворителем, обеспечивая существование жизни на Земле, обусловливая погоду и климат, влияя на ход основных, самых грандиозных геологических процессов, "вода стоит особняком в истории нашей планеты" (Вернадский В.И., 1933).

1.2Химический состав природных вод и процессы его формирования

Вода в природе нигде не встречается в химически чистом виде, поскольку в ней всегда растворено то или иное количество веществ, с которыми она соприкасается в процессе своего круговорота. Химический состав

6

поверхностных вод формируется под воздействием природных и антропогенных процессов, протекающих в толще воды, в донных отложениях и в придонных слоях у поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Таким образом, все воды планеты представляют собой растворы разного состава и концентрации. Химические компоненты природных вод делятся на пять групп.

Первую группу составляют главные ионы, так называемые макрокомпоненты K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO32-.

Повсеместное распространение алюмосиликатов на земной поверхности объясняет присутствие ионов щелочных металлов почти во всех природных водах. При взаимодействии алюмосиликатов с водой в присутствии углекислого газа образуются растворимые соли щелочных металлов (гидрокарбонаты и гидросиликаты). Например,

CaO 2Al2O3 4SiO2 +2CO2 + 5H2O = Ca(HCO3 )2 + 2H4 Al2 Si2O9

Na2O Al2O3 6SiO2 + 2CO2 + 3H2O = 2NaHCO3 + H4 Al2 Si2O3 + 4SiO2

Na2O Al2O3 6SiO2 + 5H2O = 2NaHSiO3 + 2H2 SiO3 + Al2O3 2SiO2 2H2O

Основным источником катионов Ca2+ в природных водах являются известняки, которые растворяются угольной кислотой, присутствующей в воде

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3 )2 .

Катионы Mg2+ поступают в воду преимущественно при растворении в угольной кислоте доломитов (MgCO3.CaCO3).

Хлоридные ионы по общему содержанию в природных водах занимают первое место. Большое промышленное и физиологическое значение хлорида натрия (NaCl) способствует его рассеянию по земной поверхности. Ионы Cl- не усваиваются растениями и бактериями и выделяются в свободном состоянии организмами животных. Источниками хлорид-ионов являются большие залежи хлористых солей в осадочных породах, продукты выветривания магматических пород, вулканические выбросы.

Сульфатные ионы составляют главную часть анионного состава воды морей и сильноминерализованных озер. Содержание ионов SO42- в природных водах лимитируется присутствием в воде катионов Ca2+, с которыми они образуют малорастворимые соединения CaSO4.

Основными источниками растворенных в воде ионов SO42- являются осадочные породы, в состав которых входит гипс CaSO4 2H2O, а также процессы окисления самородной серы и сульфидных минералов. Например,

2S + 3O2 + 2H2O = 2H2 SO4 ,

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2 SO4 .

Содержание макрокомпонентов в пресных поверхностных водах озер,

рек и водохранилищ колеблется в широких пределах, например, в мг/л: Ca2+ от 7 до 146, Mg2+ – 0,5-122, Na+ и K+ – 0,5-556, HCO3- – 7-480, CO32- – 0-45,

SO42- – 2,3-30, Cl- – 0,7-731.

7

В отличие от примесей пресной воды, химический состав морской воды преимущественно определяется не карбонатами, а хлоридами. К тому же солевой состав морской воды (на всей Земле) постоянен – это главнейшая закономерность в химии океана.

Таблица 1 Характеристика химического состава морской воды

8

Вторую группу компонентов химического состава природных вод составляют растворенные газы: O2, N2, CO2, H2S, CH4 и др.

Кислород находится в природной воде в виде растворенных молекул и его присутствие является обязательным условием для существования живых организмов в водоемах. В природных водах содержание кислорода колеблется в пределах 0-14 мг/л и определяется двумя противоположно направленными процессами. С одной стороны, кислород выделяется водной растительностью в результате фотосинтеза, а с другой – расходуется на окисление органических веществ. Наличие в воде растворенного кислорода является одной из причин коррозионной агрессивности природных вод по отношению к металлам.

Процессы окисления органических веществ, происходящие как непосредственно в воде, так и в почвах, и илах, с которыми соприкасается вода, являются источниками оксида углерода (IV). Наименьшее количество CO2 наблюдается в морях, наибольшее – в подземных водоемах. В реках и озерах из-за постоянного выделения в атмосферу и участия в процессах фотосинтеза содержание CO2 составляет 20-30 мг/л.

Появление в природных водах сероводорода H2S и метана CH4 указывает на наличие гнилостных процессов, протекающих в водоемах при ограниченном доступе воздуха. В природных условиях CH4 и H2S чаще встречаются в подземных водах. Однако наличие этих газов в реках и озерах может быть следствием сброса неочищенных сточных вод (целлюлознобумажных предприятий).

Третью группу составляют биогенные вещества, к которым относятся соединения азота, фосфора, железа и кремния, то есть вещества, связанные своим происхождением с жизнедеятельностью водных организмов. Биогенные элементы в природных водах находятся в виде неорганических и органических соединений.

Из неорганических соединений азота в природной воде присутствуют катионы NH4+, нитритные (NO2-) и нитратные (NO3-) анионы. В результате микробиологического разложения органических веществ, содержащих в своем составе белок, происходит выделение аммиака

R − CHNH2 (COOH) + H2O = R − CHOH(COOH) + NH3 .

При атмосферных электрических разрядах образуются окислы азота, которые поглощаются поверхностными водами и переходят в нитраты. Подземные воды богаты нитритами.

К биогенным азотсодержащим органическим веществам, присутствующим в природных водах, относятся белки, аминокислоты, амины.

Содержание неорганического азота в водах рек и водохранилищ составляет 0,17-1,94 мг/л, а органического – 0,2-3,59 мг/л.

В природных водах в растворенном состоянии соединения фосфора встречаются как в виде ионов ортофосфорной кислоты (HPO42-, H2PO4-), так и в виде органических соединений. Содержание общего фосфора в поверхно-

9

стных природных водах колеблется от 0,032 до 0,44 мг/л, в том числе неорганического фосфора – 0,002-0,42, а органического фосфора – 0,004-0,28 мг/л.

Соединения железа часто встречаются в природных водах вследствие перехода их в раствор из различных горных пород, а также под действием окислителей или кислот. Органические кислоты, содержащиеся в природных водах (гуминовые и фульвокислоты), переводят железо в раствор в виде сложных органических комплексов.

В подземных водах преобладает закисное железо в виде гидрокарбоната железа [Fe(HCO3)2] в количестве 1 мг/л. При доступе воздуха происходит гидролиз и железо переходит в малорастворимое соединение – гидроксид железа (II):

Fe2+ + 2HCO3− + 2H2O Fe(OH)2 + 2CO2 + 2H2O ,

которое в присутствии растворенного в воде кислорода окисляется в гидроксид железа (III):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 .

Кремний находится в природных водах в виде коллоидных и истинно растворенных форм кремниевой (HSiO3-, SiO32-) и поликремниевой (xSiO2.yH2O) кислот. Кремниевые соли, как азотные и фосфорные, являются питательными веществами для организмов, содержащихся в воде. Повсеместное распространение в природе кремния обеспечивает непрерывное поступление кремния в природные воды в виде выщелачиваемой водой кремниевой кислоты и ее щелочных солей. Наибольшее количество кремния встречается в подземных водах, наименьшее – в поверхностных слоях открытых водоемов. Обычно содержание кремния в открытых водоемах колеблется от десятых долей до десяти мг/л.

Четвертую группу компонентов химического состава природных вод составляют органические вещества (органические кислоты, сложные эфиры, фенолы, белки, аминокислоты, углеводы, сахара, гумусовые вещества и многие другие). Существует два источника поступления органических веществ в природные воды: 1) поступление с площади водосбора с атмосферными и талыми водами; 2) образование органического вещества в самом водоеме в результате развития растений (фотосинтез). В процессе фотосинтеза растения синтезируют органические вещества из минеральных соединений:

CO2 + H2O свет→CH2O+O2 ,

где CH2O представляет обобщенную формулу для углеводного органического вещества.

К числу постоянных источников органического вещества в природные воды следует отнести хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды.

10

Значительную часть органического вещества пресных водоемов составляют гумусовые вещества (гуминовые и фульвокислоты), вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя. Гуминовые кислоты содержат в своей основе ароматические кольца изо- и гетероциклического строения, карбоксильные (-COOH) и фенолгидроксильные (R-OH) группы. Фульвокислоты представляют собой близкие по строению полимерные вещества с меньшей долей ароматичности, но более развитой системой алифатических цепочек с концевыми карбоксильными и фенолгидроксильными группами. Молекулярная масса гуминовых кислот колеблется от нескольких десятков до сотен тысяч, а фульвокислот – от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Органические соединения присутствуют в пресных поверхностных водах в сравнительно невысоких концентрациях: азотсодержащие – 130-300 мкг N/л, сложные углеводы – 0,13-1,88 мг/л, редуцирующие сахара

– 0,03-172 мг/л.

Пятую группу химических компонентов природных вод составляют микроэлементы, включающие все металлы, кроме главных ионов (K+, Na+, Mg2+, Ca2+) и железа. Несмотря на малое содержание микроэлементов в природных водах, роль их в жизненных процессах достаточно велика. Установлено, что медь, мышьяк, марганец, цинк и йод играют важную роль в жизни организмов, являясь своеобразными катализаторами.

Ионы металлов (макро- и микроэлементов) в поверхностных водах в зависимости от факторов среды существуют в различных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и органических соединений. Главные ионы, представляющие собой s-элементы (K+, Na+, Mg2+, Ca2+), в условиях природных вод не подвергаются гидролизу и мало способны к реакциям комплексообразования. В то же время ионы других металлов, особенно d-переходных элементов (Cu, Zn, Mn, Ni, Cо, V, Cr, Fe и др.), проявляют высокую способность к реакциям гидролиза и комплексообразования.

Содержание различных микроэлементов в природных водах колеблется в широких пределах. Так, содержание ионов брома в пресных водах составляет 0,001-0,2, йода – 0,003-0,05, фтора – 0,04-0,3, бора – 0,01-0,03 (в морских водах – 1,5-4,4), кобальта – 0,0043, никеля – 0,001, меди – 0,02 мг/л.

Присутствие в природных водах различных компонентов в большинстве случаев требует ее предварительной очистки перед использованием в практической деятельности, поскольку чистая вода обладает исключительными химическими, физическими и биологическими свойствами.