Физико - химические свойство воды

Содержание

1. Физико-химические свойства воды     1 стр.
2. Молекулярная структура воды      1 стр.
3. Основные физико-химические свойства

воды и их влияние на биохимические процессы    1 стр.

4. Поверхностное натяжение       2 стр.
5. Жесткость         3 стр.
6. Кислотно-щелочное равновесие      4 стр.
7. Окислительно-восстановительный потенциал    4 стр.
8. Заключение         4 стр.
9. Используемая литература       6 стр.

Физико-химические показатели качества природных вод.

Под качеством природной  воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов  водопользования, при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Взвешенные примеси

Взвешенные твердые примеси, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных  микроорганизмов. Взвешенные частицы  влияют на прозрачность воды. Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами в основном условным диаметром более 1·10-4 мм При содержании в воде взвешенных веществ менее 2–3 мг/л или больше указанных  значений, но условный диаметр частиц меньше 1 · 10-4 мм, определение загрязненности воды производят косвенно по мутности воды.

Мутность и прозрачность

Мутность воды вызвана  присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или  коллоидными неорганическими и  органическими веществами различного происхождения. Качественное определение  проводят описательно: мутность не заметна (отсутствует), слабая опалесценция, опалесценция, слабомутная, мутная и сильная муть.

В России мутность чаще всего  измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0–40 НЕФ (NTU), например для  питьевой воды. В условиях большой  мутности обычно применяется измерение  единиц мутности по формазину (ЕМФ). Пределы  измерений – 40–400 ЕМФ. Индикатор  по НЕФ (NTU) – рассеивание излучения, по ЕМФ – ослабление потока излучения.

Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение  затруднительно, пользуются показателем  «прозрачность». Мера прозрачности –  высота столба воды, при которой  можно наблюдать опускаемую в  воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой  бумаге шрифт определенного размера  и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах.

Запах Воды

Характер и интенсивность  запаха природной воды определяют органолептически. По характеру запахи делят на две  группы: естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки  и др.); искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод). Интенсивность запаха по ГОСТ 3351-74* оценивают в шестибалльной  шкале. Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.

Вкус и привкус

Интенсивность вкуса и  привкуса в соответствии с ГОСТ 3351-74* определяется также по шестибалльной  шкале Различают четыре вида вкусов: соленый, горький, сладкий, кислый. Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений – привкуса – выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так  далее.

Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький – сульфатом магния, кислый – избытком свободного диоксида углерода и т.д.  Порог вкусового восприятия соленых растворов характеризуется  такими концентрациями (в дистиллированной воде), мг/л: NaCl – 165; CaCl2 – 470; MgCl2 – 135; MnCl2 – 1,8; FeCl2 – 0,35; MgSO4 – 250; CaSO4 – 70; MnSO4 – 15,7; FeSO4 – 1,6; NaHCO3 – 450. По силе воздействия  на органы вкуса ионы некоторых металлов выстраиваются в следующие ряды: катионы: NH4 + > Na+ > K+; Fe2+ > Mn2+ > Mg2+ > Ca2+; анионы: ОН- > NO3 - > Cl- > HCO3 - - > SO4 2- 

Цветность.

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность  окраски воды и обусловленный  содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой  шкалы и определяется путем сравнения  окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена  главным образом присутствием гумусовых  веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов.

Минерализация.

Минерализация– суммарное  содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство  рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость  варьирует от 30 до 1500 мкСм/см.

Минерализация подземных  вод и соленых озер изменяется в интервале от 40–50 мг/л до сотен  г/л (плотность в этом случае уже  значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных  осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10–120 мкСм/см. Согласно ГОСТ 17403-72 природные воды по минерализации разделены на группы. Предел пресных вод – 1 г/кг –  установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен – соленый или горько-соленый.  

Характеристика вод по минерализации

Граница между солоноватыми и солеными водами принята на том  основании, что при минерализации  около 25 г/кг температура замерзания воды и температура наибольшей плотности  морской воды совпадают, и при  этом меняются некоторые свойства воды. Граница 50 г/кг между солеными водами и рассолами обусловлена тем, что соленость больше этого значения не бывает в морях; такая соленость  характерна только для соленых озер и некоторых подземных вод.  

Жесткость

Жесткость воды обусловливается  наличием в воде ионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), стронция (Sr2+), бария (Ва2+), железа (Fe3+), марганца (Mn2+). Но общее содержание в природных водах ионов кальция  и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов  – и даже их суммы. Поэтому под  жесткостью понимают сумму количеств  ионов кальция и магния – общая  жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой  кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция  и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно  учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость  определяется как способность воды образовывать пену с мылом.

В России жесткость воды выражают в ммоль/л.

В жесткой воде обычное  натриевое мыло превращается (в присутствии  ионов кальция) в нерастворимое  «кальциевое мыло», образующее бесполезные  хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование  пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости  воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически  – до 530.

Но, конечно, основные неприятности – от накипеобразования.

Международные своды нормативов качества воды не нормируют жесткость  воды – только отдельно содержание в воде ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+): нормы качества питьевой воды Всемирной  организации здравоохранения (ВОЗ), такие же нормы Европейского Союза (ЕС), стандарты ИСО, а также Национальные нормы питьевой воды США.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы.

Щелочность

Щелочностью воды называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и  гидроксильных ионов (выражена в  ммоль/л), вступающих в реакцию при  лабораторных исследованиях с соляной  или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей  щелочных и щелочноземельных металлов.

Различают следующие формы  щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная – в зависимости от анионов  слабых кислот, которыми обусловливается  щелочность. Щелочность природных вод, рН которых обычно < 8,35, зависит  от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов.

Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды. Так  как в природных водах почти  всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.

Органические вещества

Спектр органических примесей очень широк:

• группа растворенных примесей: гуминовые кислоты и их соли – гуматы натрия, калия, аммония; некоторые примеси промышленного происхождения; часть аминокислот и белков;
• группа нерастворенных примесей: фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли – гуматы кальция, магния, железа; жиры различного происхождения; частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в  кислороде, а также поглощения в  ультрафиолетовой области.

Величина, характеризующая  содержание в воде органических и  минеральных веществ, окисляемых одним  из сильных химических окислителей  при определенных условиях, называется окисляемостью.

Существует несколько  видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются  редко).  Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды.

Окислители могут действовать  и на неорганические примеси, например, на ионы Fe2+, S2-, NO2 , но соотношение между  этими ионами и органическими  примесями в поверхностных водах  существенно сдвинуто в сторону  органических примесей, то есть «органики» в решающей степени больше. В подземных  водах (артезианских) это соотношение  – обратное, то есть органических примесей гораздо меньше, чем указанных  ионов.

Практически их совсем нет. К тому же неорганические примеси  могут определяться непосредственно  индивидуально. Если содержание указанных  восстановителей суммарно меньше 0,1 ммоль/л, то ими можно пренебречь, в иных случаях нужно вносить  соответствующие поправки. Для природных  малозагрязненных вод рекомендовано  определять перманганатную окисляемость (перманганатный индекс); в более  загрязненных водах определяют, как  правило, бихроматную окисляемость (ХПК).

Окисляемость перманганатная измеряется мгО/л, если учитывается  масса иона кислорода в составе  перманганата калия, пошедшего на окисление  «органики», или мг KMnО4/л, если оценивается  количество перманганата калия, пошедшего  на окисление «органики» .

Окисляемость бихроматная, мгО/л, называемая также химической потребностью в кислороде (ХПК), –  показатель, дающий более правильное представление о содержании в  воде органических веществ, так как  при определении ХПК окисляется около 90% органических примесей, а при  определении перманганатной окисляемости – 30–50%.

В англоязычной литературе ХПК обозначают термином COD (Chemical Oxygen Demand), в немецкой литературе – CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf). При анализе ХПК наиболее надежные результаты получаются при  ХПК = 300–600 мгО/л. При этом анализе  окисляются ионы Br-, J-, NO2 -, некоторые  соединения серы и др.

Биохимическая потребность  в кислороде (БПК5, БПКполн), мгО2/л. Биохимическая  потребность в кислороде (БПК) –  показатель, определяемый при окислении  «органики» природных вод не химическими  веществами, а биохимическими воздействиями  в аэробных условиях. Чаще определяют биохимическое потребление кислорода за пять суток – БПК5, и, как правило, этот показатель в поверхностных водах находится в пределах 0,5–4,0 мгО2/л.

При определении БПК5 (температура  воды 20°С, рН=6–8, обеспечен достаточный  доступ кислорода к пробе воды) окисляется примерно 70% легкоокисляющихся  органических веществ, за 10–20 сут –  соответственно 90 и 99% (как правило, но не всегда). Поэтому, когда определяют БПКполн, имеют в виду, что процесс  окисления длится 15–20, в редких случаях  – до 35 сут.   

Общий органический углерод

Содержание общего органического  углерода (ООУ, по зарубежным источникам – ТОС,Total Organic Carbon) – достаточно надежный показатель содержания в воде органических веществ, в среднем  численно равный 50% массы органических веществ. В природных поверхностных  водах значения органического углерода могут колебаться от 1 до 20 и даже до нескольких сотен мг/л (в болотистых водах).  

Растворенный кислород

Поступление кислорода в  водоем происходит путем растворения  его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза  водными растениями. Содержание растворенного  кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В  поверхностных водах содержание растворенного кислорода может  колебаться от 0 до 14 мг/л. В артезианской воде кислород практически отсутствует.

Водородный показатель (рН)

Величина pH – один из важнейших  показателей качества воды для определения  ее стабильности, накипеобразующих и  коррозионных свойств, прогнозирования  химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность рН может быть описана следующим образом.

Вода, хотя и весьма незначительно, – приблизительно одна миллионная часть молекул – диссоциирует (распадается) на ионы водорода H+ и гидроксила ОН- по уравнению:

Но такое же количество молекул воды одновременно снова  образуется. Следовательно, состав воды при определенной температуре и  в отсутствие примесей не изменяется.

Произведение концентраций этих ионов есть величина постоянная и называется ионным произведением  воды – Кw. Так как распадается  незначительное количество молекул  воды, то концентрация ионов Н+ и  ОН- малы, тем более мало их произведение. При температуре 24,8°С Кw = 10-14. Увеличение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение гидроксид-ионов  и наоборот.

Для нейтральной среды

Для оценки кислотности и  щелочности среды удобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а водородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму  концентраций водородных ионов, взятому  с обратным знаком.

Если в воде растворено какое-либо вещество, которое само источник ионов H+ и ОН- (примеры: кислоты НСl, H2SO4, HNO3 и др.; щелочи: NaOH, KaOH, Ca(OH)2 и  др.), то концентрации ионов H+ и ОН- не будут равны, но их произведение КW будет  постоянно. Воду в зависимости от рН рационально делить на семь групп.  

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы выделяются из общей группы металлов по специфической  вредности для живых организмов.

Понятие «тяжелые металлы» не относится к строго определенным. Разные авторы в составе группы тяжелых  металлов указывают разные химические элементы. В экологических публикациях  в эту группу включают около 40 элементов  с атомной массой более 50 атомных  единиц.

Н.Ф. Реймерс относит к  тяжелым металлы с плотностью более 8 г/см3, выделяя при этом подгруппу  благородных металлов. Таким образом, к собственно «тяжелым» отнесены медь, никель, кадмий, кобальт, висмут, ртуть, свинец.

Группа специалистов, работающая под патронажем Европейской экономической  комиссии ООН и 10-14 занимающаяся мониторингом выбросов в окружающую природную  среду тяжелых металлов, включает в эту группу также цинк, мышьяк, селен, сурьму.

Используемая литература