Книги по разным темам
Pages: | 1 | 2 | О.В. Мосин
КРУГООБОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ.
Вода - наиболее распространенное на Земле вещество. Ее количество достигает 1018 тонн, и она покрывает приблизительно четыре пятых земной поверхности. Это единственное химическое соединение, которое в природных условиях существует в виде жидкости, твердого вещества (лед) и газа (пары воды). Вода играет жизненно важную роль в промышленности, быту и в лабораторной практике; она совершенно необходима для поддержания жизни. Приблизительно две трети человеческого тела приходятся на долю воды, и многие пищевые продукты состоят преимущественно из воды.
Структура и физические свойства воды
Древние философы полагали, что вода является одним из четырех первичных элементов природы наряду с землей, воздухом и огнем. Эти представления продолжали существовать и в средние века. В 1781 году Г. Кавендиш показал, что вода образуется при сгорании водорода. Однако лишь в 1860 г. Станислав Канниццаро окончательно установил, что вода имеет формулу Н2О.
Вода-ковалентное молекулярное соединение.
Молекула воды полярна; угола аа-104,5; связь O–H ковалентная полярная.
Вода является дипольным растворителем (растворяет многие газы, жидкие и твёрдые вещества). В каждой ее молекуле атом кислорода имеет две неподеленные пары электронов. Это объясняет изогнутую структуру молекулы воды с тетраэдрическим углом между связями.
а
Вода представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, обладающую целым рядом аномальных физических свойств. Например, она имеет аномально высокие температуры замерзания и кипения, а также поверхностное натяжение. Ее удельные энтальпии испарения и плавления (в расчете на 1 г) выше, чем почти у всех остальных веществ. Редкой особенностью воды является то, что ее плотность в жидком состоянии при 4С больше плотности льда. Поэтому лед плавает на поверхности воды.
Эти аномальные свойства воды объясняются существованием в ней водородных связей, которые связывают между собой молекулы как в жидком, так и в твердом состоянии (см. разд. 2.1). Вода плохо проводит электрический ток, но становится хорошим проводником, если в ней растворены даже небольшие количества ионных веществ (см. гл. 8).
Универсальный растворитель
Вода широко используется в качестве растворителя в химической технологии, а также в лабораторной практике. Она представляет собой универсальный растворитель, необходимый для протекания биохимических реакций. Дело в том, что вода прекрасно растворяет ионные соединения, а также многие ковалентные соединения. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью ее молекул. Молекула воды обладает сравнительно большим дипольным моментом. Поэтому при растворении в ней ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов, т.е. сольватируют их. Водные растворы ионных веществ являются электролитами.
Растворимость ковалентных соединений в воде зависит от их способности образовывать водородные связи с молекулами воды. Водородные связи-это диполь-дипольные взаимодействия между атомами водорода в молекулах воды и электроотрицательными атомами молекул растворенного вещества. Простые ковалентные соединения, как, например, диоксид серы, аммиак и хлороводород, растворяются в воде. Кислород, азот и диоксид углерода плохо растворяются в воде. Многие органические соединения, содержащие атомы электроотрицательных элементов, как, например, кислорода или азота, растворимы в воде. В качестве примера укажем этанол С2Н5ОН, уксусную кислоту СН3СООН, сахар С12Н22О6 и диэтиламин (C2H5)2NH.
Присутствие в воде нелетучих растворенных веществ, например хлорида натрия или сахара, понижает давление пара и температуру замерзания воды, но повышает ее температуру кипения.
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ ВОДЫ
Вода участвует во множестве химических реакций в качестве растворителя, реагента либо продукта. Выше мы уже обсудили свойства воды как растворителя. Вода является продуктом многих неорганических и органических химический реакций. Например, она образуется при нейтрализации кислот и оснований. В органической химии многие реакции конденсации сопровождаются отщеплением (элиминированием) молекул воды. Существует четыре типа важнейших химических реакций, в которых вода участвует в качестве реагента.
Кислотно-основные реакции. Вода обладает амфотерными свойствами. Это означает, что она может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания. Ее амфотерные свойства обусловлены способностью воды к самоионизации:
2Н2О(ж.) = Н3О+(водн.) + ОН-(водн.)
Это позволяет воде быть, с одной стороны, акцептором протона:
НСl + Н2О = Н3О+ + Сl
а с другой стороны-донором протона:
NH3 + Н2О = NH4 + ОН-
Окисление и восстановление. Вода обладает способностью выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. Она окисляет металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений выше олова. Например, в реакции между натрием и водой происходит следующий окислительный процесс:
Nа(тв.) = Na+(водн.) + е-
В этой реакции вода играет роль восстановителя:
2Н2О(ж.) + 2е- = 2ОН-(водн.) + Н2(г.)
Другим примером подобной реакции является взаимодействие между магнием и водяным паром:
Мg(тв.) + Н20(г.) = МgО(тв.) + Н2(г.)
Вода действует как окислитель в процессах коррозии. Например, один из процессов, протекающих при ржавлении железа, заключается в следующем:
2Н2О + О2 + 4е- = 4ОН-
Вода является важным восстановителем в биохимических процессах. Например, некоторые стадии цикла лимонной кислоты включают окисление воды:
2Н2О = О2 + 4Н+ + 4е-
Этот процесс электронного переноса имеет также большое значение в восстановлении органических фосфатных соединений при фотосинтезе. Цикл лимонной кислоты и фотосинтез представляют собой сложные процессы, включающие ряд последовательно протекающих химических реакций. В обоих случаях процессы электронного переноса, происходящие в них, еще не полностью выяснены.
Гидратация. Выше уже указывалось, что молекулы воды способны сольватировать как катионы, так и анионы. Этот процесс называется гидратацией. Гидратная вода в кристаллах солей называется кристаллизационной водой. Молекулы воды обычно связаны с сольватируемым ими катионом координационными связями.
Гидролиз. Гидролиз представляет собой реакцию какого-либо иона или молекулы с водой. Примером реакций этого типа может быть реакция между хлороводородом и водой с образованием соляной кислоты. Другой пример-гидролиз хлорида железа(III):
FеС13(водн.) + ЗН2О(ж.) = Fе(ОН)3(тв.) + ЗН+(водн.) + ЗСl(водн.)
Гидролиз органических соединений также широко распространен. Один из наиболее известных примеров-гидролиз этилацетата (этилатаноата, этилового эфира уксусной кислоты):
СН3СООС2Н5 + Н2О = СН3СООН + С2Н5ОН
Этилацетат Уксусная Этанол
кислота
ИСТОЧНИКИ ПРЕСНОЙ ВОДЫ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Из 1018 т воды на Земле на пресную воду приходятся всего лишь 3%, из которых 80% недоступны для использования, поскольку представляют собой лед, образующий полярные шапки. Пресная вода оказывается доступной человеку в результате участия в гидрологическом цикле, или круговороте воды в природе, который схематически изображен на рисунке. Ежегодно в круговорот воды, в результате ее испарения и выпадения осадков в виде дождя или снега, вовлекается приблизительно 500 000 км3 воды. По теоретическим подсчетам максимальное количество пресной воды, доступное для использования, составляет приблизительно 40 000 км3 в год. Речь идет о той воде, которая стекает с поверхности земли в моря и океаны (так называемый сток).
Рис. Кругооборот воды в природе
Использование пресной воды принято подразделять на многократное использование и безвозвратное расходование. В соответствии с этим пресную воду также иногда подразделяют на используемую многократно и расходуемую безвозвратно.
Многократное использование воды может быть проиллюстрировано на таких примерах, как навигация, рыбоводство и получение гидроэлектроэнергии.
Безвозвратно расходуемая пресная вода становится уже недоступной для повторного использования. К ней относится пресная вода, которая после употребления оказалась потерянной в результате испарения (в том числе листьями растений); вода, вошедшая в состав продуктов, а также вода стока, достигшая моря (океана) и смешавшаяся с соленой водой. Безвозвратный расход пресной воды во всем мире составляет от 2500 до 3000 км3 в год, причем из этого количества приблизительно 10% расходуется в бытовых целях, 8% в промышленности, а подавляющее большинство-82% идет на ирригацию в сельском хозяйстве.
Расход воды
Расход воды в бытовых целях. В бытовых целях вода расходуется для питья, приготовления пищи, стирки, мытья, смыва нечистот в канализацию и поливки садов и улиц. В Европе средний расход воды в бытовых целях на душу населения составляет приблизительно 250 л в день. Это приблизительно столько же, как и во времена Римской империи. На бытовые цели расходуется приблизительно 10% всей воды, потребляемой человечеством.
Расход воды в промышленных целях. Свыше 85% воды, используемой в промышленных целях, расходуется в процессах охлаждения. Остальная часть расходуется в процессах мойки, промывки газов, для гидротранспорта и в качестве растворителя. Приблизительно полмиллиона литров воды расходуется на выпуск каждого легкового автомобиля; это количество включает как безвозвратно расходуемую воду, так и воду повторного использования. В промышленных целях расходуется приблизительно 8% всей используемой в мире воды.
Расход воды в сельском хозяйстве. На сельское хозяйство приходится 82% расхода воды во всем мире. Эта вода используется для ирригации. Для выращивания одной тонны хлопка необходимо 11 000 миллионов литров воды. Для выращивания спелой тыквы требуется 150 л воды.
Расход воды для получения гидроэнергии. Свыше 50% всего притока воды в Великобритании расходуется на электростанциях. Воду используют на гидроэлектростанциях, а также на тепловых электростанциях-для создания пара, вращающего турбины, и в целях охлаждения. Хотя электростанции расходуют огромное количество воды, она используется практически без потерь, в замкнутом цикле. Согласно имеющимся оценкам, в середине двадцать первого столетия уровень потребления воды во всем мире должен превысить ее естественное поступление. Чтобы решить эту проблему, разрабатываются различные способы получения пресной воды, которые описаны ниже.
Увеличение притока пресной воды. Большая часть воды, стекающей с поверхности земли в океаны, пропадает бесполезно для нужд человека. Строительство резервуаров и бурение скважин для извлечения грунтовых вод повышает количество воды, используемой человеком до того, как она попадает в океаны. В жаркую погоду большие количества воды теряются из озер и резервуаров в результате испарения. Этому можно воспрепятствовать, покрывая поверхность воды тонкой пленкой спирта гексадеканола-1.
Использование морской воды и солоноватых вод. Пресную воду можно получать из морской воды обессоливанием в результате вакуумной перегонки в выпарных аппараратах.
Пресную воду можно получать также с помощью электродиализа из солёной воды. Такая вода находится в устьях рек; она имеет промежуточную соленость между пресной речной и соленой морской водой.
В настоящее время во всем мире действует свыше 2000 заводов по опреснению воды. Для обессоливания воды используются не только методы вакуумной перегонки и электродиализа, но также методы вымораживания, ионного обмена и обратного осмоса.
КАЧЕСТВО ВОДЫ
Поскольку вода-хороший растворитель, она редко встречается в абсолютно чистом виде. Пригодность воды для питья и наполнения плавательных бассейнов зависит от ее качества. В таблице указаны некоторые характеристики, которыми определяется качество воды.
Таблица. Некоторые характеристики, определяющие качество воды
Прозрачность Наличие растворенных неорганических веществ, например нитратов,
Окраска хлоридов, железа
Температура Наличие растворенных органических веществ, например фенолов
Вкус Наличие микроорганизмов, например бактерий
Запах Наличие флоры и фауны
pН -
Электропроводность -
Жесткость -
Водопроводная вода в регионах с высокой плотностью населения часто представляет собой рециклированную воду (т.е. очищенную воду повторного использования). Хотя рециклировавная вода совершенно безопасна для питья, некоторые люди находят перспективу повторного использования неприятной. Они предпочитают пить натуральную, в том числе газированную, воду из бутылок.
Наличие в воде микроорганизмов определяется в результате измерения ее биохимической потребности в кислороде (ВПК). С этой целью определяют содержание кислорода в воде до и после выдерживания ее в темноте в течение 5 сут при температуре 20С. ВПК измеряется в мг/дм3. ВПК обычно рассматривается как мера загрязнения воды. Если загрязняющие органические вещества сбрасываются в воду, в ней начинается их естественная очистка. Она происходит в результате действия определенных микроорганизмов, которые используют растворенный в воде кислород для окисления загрязняющих веществ. Считается, что в зависимости от степени загрязненности воды ВПК имеют следующие значения:
Степень загрязнения воды ВПК, мг/дм3
Практически чистая 30
Слабое загрязнение 30-80
Сильное загрязнение >80
Загрязнение воды
Загрязнение воды-это понижение ее качества в результате попадания в реки, ручьи, озера, моря и океаны различных физических, химических или биологических веществ. Загрязнение воды имеет много причин.
Сточные воды
Промышленные стоки, содержащие неорганические и органические отходы, нередко спускаются в реки и моря. Ежегодно в водные источники попадают тысячи химических веществ, действие которых на окружающую среду заранее не известно. Сотни из этих веществ представляют собой новые соединения. Хотя промышленные стоки во многих случаях подвергаются предварительной очистке, они все-таки содержат токсичные вещества, которые трудно обнаружить.
Pages: | 1 | 2 | Книги по разным темам