Вода́ (оксид водорода) — прозрачная жидкость, не

Вода́ (оксид водорода) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и
запаха. Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а
в газообразном — водяным паром. 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря,
озера, реки).
Является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда
содержит растворённые вещества (соли, газы).
Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом
строении живых организмов, в формировании климата и погоды.
Физические свойства
Интересной особенностью воды является то, что при нагревании от 0 °C до 4 °C (3,98 °C
— точно) вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоемах,
когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода, как менее плотная, остаётся на
поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.
Вода имеет особенности, связанные с наличием водородных связей: высокая температура
и удельная теплота плавления и кипения (по сравнению с соединениями водорода с
похожим молекулярным весом). Жидкая вода имеет аномально высокую теплоёмкость, а
также аномальное тепловое расширение при замерзании.
Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода
электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а так же
того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми
размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного
атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к
атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать
максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом
кислорода — в двух. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить
молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её
растёт, но при температуре выше 4 °С этот эффект слабее, чем обычное тепловое
расширение; при испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много
энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая
теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам
воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая
молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно
заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а
отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по
размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого
вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном
пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. [1] Вода
необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых
существ на Земле.
Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. Но благодаря тому, что вода
— растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, что
обуславливает наличие в воде различных положительных и отрицательных ионов, это
позволяет определять чистоту воды по её электропроводности.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно
поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным
естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% эффекта. Благодаря
большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое
излучение, на чем основан принцип действия микроволновой печи.
Агрегатные состояния
По состоянию различают:
Твёрдое — лёд
Жидкое — вода
Газообразное — водяной пар
При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064 MПa (218 атм) вода проходит
критическую точку и исчезает различие между жидкой и газообразной фазой, система
становится физически однородной.
Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость,
переохлажденная жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако
они не устойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход.
Например, нетрудно получить переохлажденную жидкость, охладив чистую воду в
чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода
быстро превращается в лёд.
типы снежинок
Изотопные модификации воды
И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от
типа изотопов, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды: Лёгкая вода
(просто вода), Тяжёлая вода (дейтериевая) и Сверхтяжёлая вода (тритиевая).
Химические свойства
Вода является и кислотой и основанием одновременно (катион H+ анион OH-), и в связи с
этим имеет одинаковую концентрацию гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов
гидроксония). Этим объясняются необычные свойства воды. В связи с тем, что вода
является наиболее важным растворителем на Земле, большая часть химии, при её
зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ.
Сама по себе вода относительно инертна в обычных условиях, но её сильно полярные
молекулы сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты.
Вода в природе
В атмосфере нашей планеты вода находится в виде капель малого размера, в облаках и
тумане, а также в виде пара. При конденсации выводится из атмосферы в виде
атмосферных осадков (дождь, снег, град, роса). В совокупности жидкая водная оболочка
Земли называется гидросферой, а твёрдая криосферой. Вода является важнейшим
веществом всех живых организмов на Земле. Предположительно, зарождение жизни на
Земле произошло в водной среде.
Виды воды
Вода на Земле может существовать в трёх основных состояниях — жидком, газообразном
и твёрдом и в свою очередь приобретать самые разные формы, которые зачастую
соседствуют друг с другом. Водный пар и облака в небе, морская вода и айсберги, горные
ледники и горные же реки, водоносные слои в земле. Вода способна растворять в себе
много веществ, приобретая тот или иной вкус. Из-за важности воды, «как источника
жизни» её нередко подразделяют на типы.
Исследования воды
Гидроло́гия — наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и
литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т.
п.).
Предметом изучения гидрологии являются все виды вод гидросферы в океанах, морях,
реках, озёрах, водохранилищах, болотах, почвенных и подземных вод.
Гидрология исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека
и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий;
проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом;
даёт оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов;
пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках. Данные
гидрологии моря используются при плавании и ведении боевых действий надводными
кораблями и подводными лодками.
Гидрология подразделяется на океанологию, гидрологию суши и гидрогеологию.
Океанология подразделяется на биологию океана, химию океана, геологию океана,
физическую океанологию, и взаимодействие океана и атмосферы.
Гидрология суши подразделяется на гидрологию рек (речную гидрологию,
потамологию), озероведение (лимнологию), болотоведение, гляциологию.
Загрязнение пресных вод
В большинстве случаев загрязнение пресных вод остаётся невидимым, поскольку
загрязнители растворены в воде. Но есть и исключения: пенящиеся моющие средства, а
также плавающие на поверхности нефтепродукты и неочищенные стоки. Есть несколько
природных загрязнителей. Находящийся в земле алюминий попадает в систему пресных
водоёмов в результате химических реакций. Паводки вымывают из почвы лугов магний,
что наносит огромный ущерб рыбным запасам. Однако объём естественных
загрязняющих веществ - ничто по сравнению с производимыми человеком.
Виды загрязнителей
Фермеры используют различные химикаты, попадающие в конечном итоге в пресную
воду: гербициды, инсектициды, акарициды, фунгициды и дезинфицирующий раствор для
овец, содержащие в целом 450 активных ингредиентов - биоцидов. В землю вносятся
стимулирующие рост растений фосфаты и нитраты, а силосные бурты, свиноводческие
фермы и птицефермы являются источником большого количества ядовитых стоков.
Помимо дезинфицирующих средств пресную воду заражают и фармацевтические
препараты - антибиотики, гормоны и ингибиторы роста. Гормонные препараты попадают
в воду и через канализацию вместе с бытовыми стоками.
Для дезинфицирования питьевой воды используются химические реагенты, следы
которых остаются в воде. Считающийся канцерогенным тригалометан - побочный
продукт хлорирования воды. В 1988 году в прессе широко освещалось применение
сульфата алюминия при очистке воды: тогда несколько тонн этого вещества были
сброшены в систему водоснабжения одного английского городка и вызвали массовое
заболевание среди местных жителей.
Наиболее опасными загрязнителями промышленного происхождения являются тяжёлые
металлы: кадмий, свинец и цинк. Другой серьёзный источник загрязнения пресных вод кислотные дожди, вызываемые транспортно-промышленными выбросами.
Источники загрязнения
Загрязнители попадают в пресную воду различными путями, но всегда при участии
человека: в результате несчастных случаев, намеренных сбросов отходов, проливов и
утечек.
Крупнейший потенциальный источник загрязнения - фермерские хозяйства, занимающие
в Англии и Уэльсе почти 80% земель. Часть покрывающего почву необработанного навоза
животных проникает в источники пресной воды.
Кроме того, фермеры Англии и Уэльса ежегодно вносят в почву 2,5 млн. т азота, фосфора
и калия, и часть этих удобрений попадает в пресную воду. Некоторые из них - стойкие
органические соединения, проникающие в пищевые цепи и вызывающие экологические
проблемы. Сегодня в Великобритании свёртывают производство хлорорганических
соединений, выпускаемых в больших количествах в 1950-е гг.
Всё большую угрозу для пресноводных водоёмов представляют стоки, сбрасываемые
рыбоводческими хозяйствами, ввиду широкого применения ими фармацевтических
средств борьбы с болезнями рыб.
Лесные хозяйства и открытый дренаж - источники большого количества веществ,
попадающих в пресную воду, в первую очередь железа, алюминия и кадмия. С ростом
деревьев кислотность лесной почвы увеличивается, и проливные дожди образуют очень
кислые стоки, губительные для живой природы.
Попав в реку, навозная жижа может стать причиной серьёзной экологической катастрофы,
так как её концентрация в 100 раз больше, чем у сточных вод, обработанных на очистных
сооружениях.
Атмосферное загрязнение пресной воды особенно пагубно. Есть два вида таких
загрязнителей: грубодисперсные (зола, сажа, пыль и капельки жидкости) и газы
(сернистый газ и закись азота). Все они - продукты промышленной или с/х деятельности.
Когда в дождевой капле эти газы соединяются с водой, образуются концентрированные
кислоты - серная и азотная.
Распространение загрязнителей
Твёрдые и жидкие загрязняющие вещества попадают из почвы в источники
водоснабжения в результате т. н. выщелачивания. Небольшие количества сваленных на
землю отходов растворяются дождём и попадают в грунтовые воды, а затем в местные
ручьи и реки. Жидкие отходы быстрее проникают в источники пресной воды. Растворы
для опрыскивания сельскохозяйственных культур либо теряют свою активность при
контакте с почвой, либо попадают в местные реки, либо выщелачиваются в земле и
проникают в грунтовые воды. До 80% таких растворов тратятся впустую, так как
попадают не на объект опрыскивания, а в почву.
Время, требуемое для проникновения загрязнитёлей (нитратов или фосфатов) из почвы в
грунтовые воды, точно неизвестно, но во многих случаях этот процесс может длиться
десятки тысяч лет. Загрязняющие вещества, поступающие в окружающую среду от
промышленных предприятий, называют промышленными стоками и выбросами.
Определение уровня загрязнения
На загрязнение могут указывать такие признаки, как мёртвая рыба, но есть и более
сложные методы его обнаружения. Загрязнение пресной воды измеряется в показателях
биохимической потребности в кислороде (БПК) - т. е. сколько кислорода поглощает
загрязнитель из воды. Этот показатель позволяет оценить степень кислородного
голодания водных организмов.
В то время как норма БПК для рек Европы равна 5 мг/л, в неочищенных бытовых стоках
этот показатель достигает 350 мг/л. Большой вред наносит молоко при сливе его
избыточного количества, так как вызываемое им загрязнение в 400 раз больше, чем от
бытовых стоков.
Воздействие на живую природу
К самым явным признакам загрязнения пресных водоёмов относится цветение воды
(бурное развитие фитопланктона). Этот процесс наблюдается, когда вода обогащается
смесью органических соединений, выщелоченных из окружающей почвы. Такое
обогащение (эвтрофикацию) в большей степени вызывают фосфаты, чем нитраты.
Сложившаяся в последние 20 лет ситуация вызывает тревогу, так как значительная часть
из 500 водоёмов Англии покрылась зеленью и стала токсичной ввиду их загрязнения.
Пресная вода превращается в рассадник потенциально опасных видов бактерий,
простейших и грибов. Такие бактерии, как сальмонелла и листерия, а также простейшие например, криптоспоридия - не менее опасны для здоровья человека, чем холера в Европе
в XIX веке.
Водоросли на поверхности воды действуют как густой лесной полог, не пропуская
солнечный свет. Это губительно сказывается на производящих кислород водорослях, от
которых зависит жизнь водных беспозвоночных и позвоночных. К тому же определённые
виды сине-зелёных водорослей выделяют ядовитые вещества, поражающие рыб и другие
водные организмы. В результате многие виды отдыха на воде в летние месяцы запрещены
в связи с разрастанием и токсичностью водорослей. Причиной цветения последних в
озёрах и водоёмах может также быть вырубка лесов и удобрение лесной почвы - в обоих
случаях в воду попадают питательные вещества.
Кислотные дожди вызвали ряд крупных экологических катастроф в Канаде, США и
Северо-Западной Европе. Вода в 16000 из 85 000 озёр Швеции окислилась, а в 5000 из них
полностью исчезла рыба. Начиная с 1976 г., в воду 4000 озёр добавляют известь для
нейтрализации кислоты и восстановления химического баланса. К этим же мерам
прибегают Шотландия и Норвегия, где по аналогичной причине рыбные запасы
сократились на 40%. На востоке США ежегодный ущерб в связи с потерей форели,
вызванной окислением водоёмов спортивного рыболовства, составляет 1 млрд. долларов.
Однако за известкование озёр расплачиваются прибрежные сообщества. Так, избыток
кальция привёл к гибели 90% растущего поблизости торфяного мха, кукушкиного льна и
ягеля. Значительная часть кислотных дождей приходит в Скандинавию с запада, где
промышленность Англии производит около 3,7 млн. т сернистого газа в год.
Как правило, загрязнение водоёмов приводит к гибели живой природы, в первую очередь
рыб. Но возможна быстрая повторная колонизация и восстановление популяций, особенно
с помощью человека. Некоторые беспозвоночные переселяются на поражённые участки
из находящихся выше по течению мест; другие перелетают сюда за считанные часы. Одни
организмы (такие как речные блюдечки, чьи жабры забиваются илом) чувствительны к
нарушению экологического баланса, а другим видам (включая подёнок) нипочём
довольно высокие уровни загрязнения. Трубчатые черви поглощают бактерии и личинок
разных видов звонцов, а пиявки (среди них Helobdella stagnalis) легко переносят
эвтрофикацию и низкое содержание кислорода.
Тяжёлые металлы
Свинец встречается в пресной воде в растворённом виде. Один из источников свинцового
загрязнения - рыболовные грузила, которые постоянно выбрасывают при запутывании
лески. От свинца сильно страдают лебеди, проглатывающие грузила вместе с
водорослями. Он остаётся в желудке птиц, постепенно растворяясь и вызывая их смерть.
«Сломанная шея» (когда мышцы не могут держать длинную шею птицы, и в результате
она медленно умирает от голода) является признаком свинцового отравления. Другой
тяжёлый металл, кадмий, проникает в пресноводную среду, поражает рыб, а через них
попадает в организм человека.
Законодательство
Законы - действенное средство предотвращения загрязнения, но добиться их соблюдения
трудно. Поэтому новая международная инициатива - «платит сторона, виновная в
загрязнении» - идеальна по сути, но редко даёт плоды. Всемирная организация
здравоохранения (ВОЗ) опубликовала рекомендации по допустимым уровням
загрязнения. Например, содержание кадмия в воде не должно превышать 3/1000 мг/л.
Англия, вероятно, первой в мире приняла закон о загрязнении рек, поскольку ещё в 1197
г. король Ричард 1 подписал первую хартию о Темзе. Сегодня Европейское Сообщество
издаст директивы о качестве воды, но правительства европейских стран не спешат
выполнять эти требования. Так, в 1992 г. 9 из 12 стран - членов ЕС превысили уровень
содержания нитратов в своих водоёмах. По новому законодательству от всех членов ЕС
требовалось к 2002 г. создать специальные очистные станции для обработки воды для
городского и промышленного потребления, чтобы предотвратить загрязнение рек. В
большинстве стран эта работа выполнена.
Очистительные технологии



Водоподготовка
Опреснение воды
Солнечное опреснение
Водоподготовка
Водоподготовка — обработка воды, поступающей из природного водоисточника на
питание паровых и водогрейных котлов или для различных технологических целей.
Водоподготовка производится на ТЭС, транспорте, в коммунальном хозяйстве, на
промышленных предприятиях.
Цели водоподготовки
Водоподготовка заключается в освобождении воды от грубодисперсных и коллоидных
примесей и содержащихся в ней солей, тем самым предотвращается отложение
накипи, унос солей паром, коррозия металлов, а также загрязнение обрабатываемых
материалов при использовании воды в технологических процессах.
Этапы водоподготовки
Водоподготовка включает следующие основные методы обработки: осветление
(удаление из воды коагуляцией, отстаиванием и фильтрованием коллоидальных и
суспензированных загрязнений); умягчение (устранение жёсткости воды осаждением
солей кальция и магния, известью и содой или удаление их из воды катионированием);
обессоливание и обескремнивание (ионным обменом или дистилляцией в
испарителях); удаление растворённых газов (термическим или химическим методом) и
окислов железа и меди (фильтрованием).
Коагуляция (от лат. coagulatio — свертывание, сгущение), так же старение —
объединение мелких частиц дисперсных систем в более крупные под влиянием сил
сцепления. Ведет к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка или к
застудневанию. Коагуляция - естественный, самопроизвольный процесс расслаивания
коллоидного раствора на твёрдую фазу и диспергатор. Таким образом дисперсная
система стремится достигнуть состояния минимальной энергии.
Опреснение воды
Опресне́ние воды — удаление из воды растворённых в ней солей с целью сделать её
пригодной для питья или для определённых технических целей.
Для питьевого водоснабжения пригодна вода с содержанием растворимых солей не
более 0,001 г/мл. Опреснение воды практически может быть достигнуто испарением
(дистилляцией), замораживанием, ионным обменом или электродиализом.
Опреснение воды для промышленных и бытовых нужд осуществляется на
опреснительных установках. В 1972 впервые в мире была введена в строй и
действовала почти 30 лет атомная опреснительная установка на базе реактора на
быстрых нейтронах БН-350 в городе Шевченко (Казахстан, ныне город Актау).
Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости
с последующим охлаждением и конденсацией паров.
Простая дистилляция — частичное испарение кипящей жидкой смеси путём
непрерывного отвода и конденсации образовавшихся паров в холодильнике.
Полученный конденсат называется дистиллятом, а неиспарившаяся жидкость —
кубовым остатком.
Фракционная дистилляция (или дробная перегонка) — разделение
многокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу части — фракции.
Основана на различии в составах многокомпонентной жидкости и образующегося из
неё пара. Осуществляется путём частичного испарения легколетучих компонентов
исходной смеси и последующей их конденсации. Первые (низкотемпературные)
фракции полученного конденсата обогащены низкокипящими компонентами, остаток
жидкой смеси — высококипящими. Для улучшения разделения фракций применяют
дефлегматор
Солнечное опреснение
Солнечное опреснение — это опреснение воды, использующее солнечную энергию.
История солнечного опреснения начинается с начала 50-х годов, когда изучалась
возможность применения простых солнечных дистилляторов для удаленных
поселений в пустыне и на побережье. Дешевизна водяных насосов и труб, а также
удешевление источников энергии в 20 столетии сделали эти проекты
неконкурентоспособными. В последнее время интерес к исследованиям в данной
области повышается. Это обусловлено растущими ценами на энергоносители,
истощением запасов артезианской воды и растущим загрязнением используемых
источников воды.
Артезианские воды (от Artesium, латинского названия французской провинции
Артуа, где эти воды издавна использовались) — напорные подземные воды,
заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями.
Обычно встречаются в пределах определенных геологических структур (впадин,
мульд, флексур и др.), образуя артезианские бассейны. При вскрытии буровыми
скважинами артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта,
иногда фонтанируют.
Солнечный Многоэтапный Цикл Конденсации и Испарения
Солнечный Многоэтапный Цикл Конденсации и Испарения (SMCEC) — это
технология солнечного опреснения воды, используя естественную конвекцию в
вертикальном дымоходе. Она использует эффект конвекции для прохождения
выходящего нагретого водяного пара через решетку теплообменника-конденсатора
(через который поступает входящая вода), и таким образом входящая вода
предварительно нагревается. Это повышает общую эффективность работы системы.
Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса теплоты в
жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества (неважно,
вынужденно или самопроизвольно
Теплообме́нник — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от
горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть
газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты
используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических
процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой,
энергетике и других отраслей промышленности.
Проблемы
Существуют две проблемы, стоящие на пути любого проекта солнечного опреснения.
Во-первых, эффективность системы определяется разностью температур между
зонами испарения и конденсации. Первая должна быть как можно горячее, вторая —
как можно холоднее. При небольших затратах этого добиться трудно. Во-вторых,
тепло, выделяемое водяным паром при конденсации, является, по сути, энергией
привнесенной в систему солнцем и может быть использовано с пользой. Но в
большинстве существующих солнечных дистилляторов она удаляется, как ненужная.
Существующая по сей день проблема состоит в том, чтобы достичь:
Максимальной разницы температур между испарителем и конденсатором;
Максимального повторного использования энергии конденсации;
Минимальных затрат.
Литература:
http://wikipedia.tomsk.ru
Содержание:
Физические свойства
Химические свойства
Вода в природе
Виды воды
Исследования воды
Загрязнение пресных вод
Очистительные технологии
Литература
Томский Государственный Архитектурно-строительный Университет
Кафедра гидроэкологии и водохозяйственной деятельности
Выполнила:
Ст. гр
Проверил:
Томск-2008