Лекция № 3 Физико-химические процессы в гидросфере

3.1. Сведения о свойствах воды и её загрязнении

Вода – самое распространённое вещество Земли. Её запасы составляют 1,4·10¹⁷ м³.

Вода вездесуща, она содержится везде – на земле, под землей, в атмосфере, растениях, живых организмах, минералах.

Ж ивые существа, например, медузы, на 99 % состоят из воды, а раскалённая лава, извергающаяся из вулканов, содержит иногда до 12 % воды.

Описывая физические свойства воды, добавляют, как правило, слово "аномально":

- аномально высокая температура кипения (у воды, имеющей М = 18 г/моль, Т_кип = 373 К; у метана, имеющего М = 16 г/моль, Т_кип = 89К);

- аномально высокая теплоёмкость;

- плотность твёрдой фазы – льда меньше плотности жидкой фазы – воды, что также очень необычно.

В настоящее время аномальность физических свойств воды объясняется электронным строением молекул воды, а именно:

- полярностью молекул воды,

- наличием двух неподелённых электронных пар у атома кислорода,

- дополнительными водородными связями.

Говоря о химических свойствах воды, прежде всего необходимо отметить её амфотерность:

H₂O ↔ Н⁺ + ОН^-.

Из уравнения электролитической диссоциации воды видно, что она может быть как кислотой, так и основанием:

NH₃ + H₂O ↔ NH₄⁺ + ОН^-

кислота

HNO₃ + H₂O ↔ H₃O⁺ + NO₃^-

основание

Вода может быть как окислителем:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

так и восстановителем:

2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂↑

Если необычные физические свойства воды (высокая теплоёмкость, максимальная плотность при + 4 ^oС) играют огромную роль для жизни на Земле, то химическая амфотерность воды очень важна для устойчивости гидросферы в условиях химического загрязнения.

Вода является всеобщим, универсальным растворителем, она в какой-то мере растворяет всё, с чем соприкасается, поэтому воду можно рассматривать как сложную дисперсную систему.

По виду и количеству примесей природная вода подразделяется на морскую и пресную. Морская вода содержит от 35 до 37 г сухих солей на один кг воды. Примесями пресных вод являются химические элементы и вещества, содержащиеся в породах, в которых располагается данный водный источник.

При сечении водных масс вертикальной плоскостью можно выделить ряд участков на этом разрезе, обладающих повышенной реакционной способностью:

1. поверхностная пленка. Это особая область обычно простирается в глубину до 50-500 мкм. Все равновесные процессы массообмена между водой и воздухом протекают именно в этой области. Для нее характерно поразительно высокое содержание загрязняющих веществ практически всех видов. Химизм реакций, протекающих в этом слое воздух–вода, обладающем рядом уникальных химических и физических свойств, весьма сложен и плохо изучен;

2. основная водная масса:

- поверхностные водные массы – сюда обычно проникает солнечный свет, что создает условия для биологической активности, обусловленной протеканием фотосинтеза;

- промежуточные или глубинные водные массы – проникновение в эти слои света и теплового излучения минимальны;

- придонные водные массы – слои воды, в которых реакции переноса от воды к осадку и обратно, по-видимому, приобретают дополнительное значение;

3. осадок. Все нерастворимые и частично растворимые вещества в конечном счете оказываются в донном осадке, где собираются все загрязнения. При изменении рН и окислительно-восстановительной характеристики среды соединения могут либо растворяться, либо выпадать в осадок.

Все химические элементы, присутствующие в природных водах, условно делятся на три группы в зависимости от следующих двух признаков:

- распространённости их в земной коре;

- растворимости их природных соединений.

К первой группе относятся соединения с хорошо развитыми обоими признаками. Это катионы: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионы: CO₃^2-, HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, которые всегда присутствуют в природных водах и их содержание может достигать значительных величин.

Ко второй группе относятся соединения, у которых один из двух необходимых признаков подавлен. Данные соединения могут быть хорошо растворимыми в воде, но иметь низкое содержание в природе, либо – наоборот. К этой группе относятся ионы: NH₄⁺, NO₃^-, NO₂^-, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺; а также SiO₂ и различные органические соединения. Соединения второй группы также всегда присутствуют в любой природной воде, но содержание их невысоко.

К третьей группе относятся так называемые микрокомпоненты, т.е. элементы, участвующие в строении земной коры, но с подавленными обоими необходимыми признаками. Содержание соединений и элементов третьей группы в природных водах низко, в среднем около 1 мг/см³.

На основании того, что вода, являясь универсальным растворителем, содержит самые различные примеси, введено понятие метаморфизации химического состава природных вод.

Под метаморфизацией понимают взаимодействие природной воды с веществом окружающей среды, ведущее к трудно обратимому или необратимому изменению химического состава воды.

В настоящее время особое внимание уделяется техногенной метаморфизации. Именно данный вид метаморфизации, связанный с бытовой и производственной деятельностью человека, оказывает огромное влияние на изменение химического состава природных вод и их физико-химических свойств.

Экологическое состояние водных экосистем определяется разнообразием поступающих минеральных и органических соединений, характером их воздействия на гидробионты, возможностью расщепляться или способностью аккумулироваться. С точки зрения химического состава в водоемы поступают все известные элементы периодической таблицы Менделеева. Особое место в общем потоке поступающих в водные экосистемы аллохтонных (посторонних, поступающих извне) веществ занимают органические соединения, которые наряду с автохтонным органическим веществом, образующимся непосредственно в водоеме, определяют уровень эвтрофирования водных экосистем и оказывают существенное влияние на органолептические свойства воды: цветность, запах и вкус.

Антропогенное воздействие на водные экосистемы чаще всего проявляется в форме первичного загрязнения различными соединениями, поступающими из внешних источников, значительную их часть составляют вещества, содержащиеся в промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых сточных водах.

Возможность определения природы и концентраций веществ, поступающих со сточными водами конкретных предприятий (первичное загрязнение), позволяет оценить степень их отрицательного воздействия и составить прогноз возможных экологических последствий. Различают три фазы ответных реакций водоемов на первичное загрязнение сточными водами:

1) изменение физических, физико-химических свойств воды, токсичное воздействие на гидробионты;

2) воздействие на процессы, протекающие в биоценозах;

3) стабилизация условий в водоеме в процессе самоочищения.

Вероятнее всего, такая последовательность реагирования на поступление аллохтонных соединений, заканчивающаяся процессами самоочищения, может быть характерна лишь для слабо эвтрофированных водных экосистем с низкой степенью загрязнения. В водоемах, где уже существует высокий уровень фонового загрязнения, скорее всего, 3-я фаза отсутствует либо растягивается на довольно продолжительный период.

Вновь поступающие загрязняющие соединения вызывают серьезные нарушения в функционировании всех водных биоценозов, при этом выпадают отдельные звенья в трофической цепи, нарушается целостность экосистемы, накапливаются продукты трансформации или промежуточные соединения незавершенных природных циклов круговорота вещества. В итоге разбалансированного преобразования поступающих в избытке разнообразных соединений и веществ происходит вторичное загрязнение природных вод, нарушение биологического равновесия в водных экосистемах.

Вопреки существующему мнению, при мощном потоке поступающих в водоемы разнообразных аллохтонных веществ и биогенных элементов интенсивное развитие обитателей толщи воды (фитопланктона, зоопланктона, гетеротрофных микробных сообществ) и макрофитов (водной растительности) приводит не к самоочищению водных экосистем, а к их вторичному загрязнению.