Химический состав и свойства воды

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические и биохимические  основы производства мяса и мясных продуктов»

на тему:

«ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ВОДЫ» 
 
 
 
 
 
 

Волгоград, 2011

Содержание

Введение………………………………...................................................................3

1.Строение молекулы……………………………………………………….…….4

2.Физические свойства воды и льда……………………………………………..7

3. Диаграмма состояния воды………………………………………...………….8

4. Химические свойства воды……………………………………….………….10

5. Химический состав  поверхностных вод……………………………………11

5.1 Мезоэлементы……………………………………………………………….16

5.2 Микроэлементы……………………………………………………………..18

6. Химический  состав подземных вод…………………………………………19

7. Химический  состав питьевой воды………………………………………….21

     Заключение………………………………………………………………………26

    Список использованных источников……………………………………...……27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Вода  — одно из самых распространенных веществ на нашей планете; она  имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения воды в поверхности океанов и суши и выделения влаги растениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызывает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие конденсации вода снова возвращается на землю в виде роем, дождя, града и снега.

     Часть воды испаряется непосредственно с  почвы и покрывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, лйбо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверхности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.

     Вследствие  постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду  вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества. 

     1. Строение молекулы

     Аномальные  свойства воды предполагают существование  прочных сил между молекулами воды. Это можно объяснить уже при рассмотрении природы единичной молекулы воды, а затем и группы молекул. Шесть валентных электронов кислорода в молекуле воды гибридизированы в четырех $р³-орбиталях, которые вытянуты к углам, образуя тетраэдр.

     Две гибридные орбитали образуют О—Н ковалентные связи с углом 105°, тогда как другие две орбитали имеют неподеленные электронные пары. Ковалентные О—Н связи, благодаря высокой электроотрицательности кислорода, частично (на 40%) имеют ионный характер.

     Таким образом, молекула воды имеет два отрицательных и два положительных заряда по углам тетраэдра. Вследствие этого, каждая молекула воды тетраэдрически  координирована с четырьмя другими молекулами воды благодаря водородным связям . Тетраэдическая координация молекул представлена на рисунке 1.

  «Рисунок 1- Тетраэдрическая координация молекул  воды».

     Одновременное присутствие в молекуле воды двух доноров и двух акцепторов делает возможной ассоциацию в трехмерную сеть стабилизированную водородными связями, что обеспечивает большую силу взаимодействия между молекулами. Эта структура объясняет особые физические свойства воды, необычные для малых молекул. Так, например,спирт и соединения с изоэлектрическими диполями, такие как HF или NH₃, образуют, в отличие от воды, только линейную или двухмерную ассоциацию. Частичная поляризация Н—О связи в дальнейшем усиливается за счет образования водородных связей. Поэтому дипольный момент комплекса, состоящего из увеличенного числа водных молекул (мультимолеку- лярный диполь), тем больше, чем больше молекул ассоциировано и, естественно, больше дипольного момента единичной молекулы. Как следствие, диэлектрическая постоянная воды оказывается большой и превышает величину, которая может быть вычислена на основе дипольного момента единичной молекулы. Транспорт (перенос) протона осуществляется вдоль водородной связи. Это поистине прыжок протона от одной молекулы воды к соседней молекуле воды. Независимо от того, получен ли протон путем диссоциации воды или будет получен от кислоты, он будет погружаться в орбитали неподеленных электронов молекулы, образуя гидратированный ион водорода Н₃0⁺ (ион гидроксония) с исключительно сильной водородной связью (энергия диссоциации — 100 кДж/моль) .Подобный механизм действует и в транспорте ионов ОН, который осуществляется вдоль водородных связей. Переход протона от одного атома кислорода к другому осуществляется чрезвычайно быстро (V> 10¹²с^-1), поэтому подвижность протона весьма велика. Она превышает подвижность других ионов в 4—5 раз и соизмерима только с подвижностью ионов ОН^-, которая, однако, примерно на 40% меньше. При этом скорость протонов во льду примерно в 100 раз больше, чем в воде. Способность воды образовывать трехмерные водородные связи, для разрушения которых необходима дополнительная энергия, объясняет рассмотренные выше необычные свойства воды, например высокие значения теплоемкости, точек плавления и кипения, поверхностного натяжения и теплот фазовых переходов. Вода может влиять на конформацию макромолекул, если там имеют место какие-либо нековалентные связи, которые стабилизируют конформацию большой молекулы. Эти нековалентные связи могут быть трех видов: водородные, ионные и неполярные связи. В белках существует конкуренция между CO...HN водородными связями и вода-амид водородными связями. Чем больше способность растворителя к образованию водородных связей, тем слабее CO...HN связь. В водной среде теплота образования или разрыва этой связи равна 0. Это означает, что CO...HN водородная связь не может обеспечить стабилизацию в водном растворе. Конкурирующая водородная связь от Н₂0 ослабляет термодинамическую тенденцию к образованию CO...HN водородных связей. Водные молекулы вокруг неполярных групп (молекул) становятся более упорядоченными, приводя к потере энтропии, и в результате возникает тенденция к ассоциации отдельных неполярных групп в водной среде с другими, большими чем водные, молекулами (гидрофобное взаимодействие). Концепция гидрофобной связи схематично показана на рисунке 2.

     «Рисунок 2- Образование гидрофобной связи».

     С химической точки зрения вода является весьма реакционноспособным веществом. Она соединяется со многими оксидами металлов и неметаллов, взаимодействует с активными металлами и вступает в различные другие реакции самого разнообразного характера. Превращения белков, липидов, углеводов с участием воды имеют важное значение в пищевых технологиях. Помимо химических реакций, в которые вступает вода, при растворении веществ в воде имеют место взаимодействия физико-химического характера. Ниже мы кратко рассмотрим взаимодействие воды с ионами и ионными группами, группами, обладающими способностью к образованию водородных связей, и с неполярными веществами (группами). Эти взаимодействия необходимо принимать во внимание при рассмотрении классификации видов влаги в пищевых продуктах и ее причастности к химическим, биохимическим и микробиологическим изменениям в продукте при хранении.

     2. Физические свойства воды и льда

       Вода имеет молекулярную массу примерно равную 18,02 и может существовать в состояниях жидкости, пара и льда, характеризующихся следующими показателями фазовых переходов: 

     Точка при 101,3 кПа (1 атм), °С

           замерзания (плавления)  0,00

           кипения   100,00

Теплота, кДж/моль (ккал/моль)

          плавления при 0°С  6,01 (1,435)

          парообразования при 100°С……40,63 (9,704)

          сублимации при 0°С  50,91 (12,16)

     Как видно из этих данных, для воды характерны высокая температуре кипения  и плавления, высокие значения теплоты  фазовых переходов (плавления, парообразования, сублимации). По этим свойствам вода существенно отличается от гидридов некоторых элементов, расположенных близко к кислороду в периодической системе (СН₄, NH₃, HF, H₂S, НС1). Вода обладает аномально высокой теплоемкостью. Это имеет большое значение в жизни природы — в ночное время, а также при переходе  от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. Вода обнаруживает необычное свойство расширяться при замерзании, вследствие чего плотность льда ниже, чем воды при той же температуре, что нехарактерно для других веществ при переходе из жидкого состояния в твердое. Среди других аномалий воды следует отметить высокое значение поверхностного натяжения и диэлектрической постоянной и значительную теплопроводность. Теплопроводность воды выше, чем других жидкостей, а льда — больше, чем других неметаллических твердых веществ. Следует также отметить, что теплопроводность льда при 0°С приблизительно в четыре раза больше, чем воды при той же температуре, т. е. лед проводит тепло значительно быстрее, чем иммобилизованная (неподвижная) вода, находящаяся в тканях. Если при этом учесть, что температуропроводность льда на порядок выше, чем воды, становится понятным, почему ткани замерзают быстрее, чем оттаивают, если задается одинаковая (но обратная) разность температур. 

     3. Диаграмма состояния воды 

     Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное и т. д.).

     Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами состояния в координатах P-t.

На рисунке 3 приведена в схематической форме (без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды.

«Рисунок 3-  Диаграмма состояния воды в области невысоких давлений».

     Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.

     Диаграмма показывает те состояния воды, которые  термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару. Кривая OA представляет зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом. Кривая OA называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения. Кривая ОС — кривая равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления, — показывает те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии. Кривая ОВ — кривая равновесия твердое состояние — пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений температуры и давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар. Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки — это единственная пара значений температуры и давления, при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки. Тройная точка отвечает давлению водяного пара 0,610 кПа (4,58 мм рт. ст.) и температуре 0,01°С. Диаграмма состояния воды имеет значение при разработке технологических режимов для получения пищевых продуктов. Например, как следует из диаграммы, если лед нагревается при давлении меньше чем 0,610 кПа (4,58 мм рт.ст.), то он непосредственно переходит в пар. Это является основой при разработке способов получения пищевых продуктов сушкой замораживанием. Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо.

     Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды отвечает точке D, кипение воды — точке Е, нагревание или охлаждение воды — отрезку DE и т. п.

     4. Химические свойства воды

     Из  химических свойств воды особенно важны способность её молекул диссоциировать (распадаться) на ионы и способность воды растворять вещества разной химической природы.

           Роль воды как главного и универсального растворителя определяется прежде всего полярностью её молекул и, как следствие, её чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Разноимённые электрические заряды, и в частности ионы, притягиваются друг к другу в воде в 80 раз слабее, чем   притягивались бы в воздухе. Силы взаимного притяжения между молекулами или атомами погружённого в воду тела также слабее, чем в воздухе. Тепловому движению в этом случае легче разбить молекулы. Оттого и происходит растворение, в том числе многих труднорастворимых веществ: капля камень точит.

                Электролитическая диссоциация  воды – причина гидролиза солей  слабых кислот и  (или) оснований.  Степень электролитической диссоциации  заметно возрастает при повышении  температуры. При низких температурах в отсутствии катализаторов происходит крайне медленно, но скорость реакции резко возрастает при повышении температуры, и при 550⁰ С она происходит со взрывом. При понижении давления и повышении температуры равновесие сдвигается влево. Под действием ультрафиолетового излучения происходит фотодиссоциация воды на ионы Н⁺ и ОН^-. Ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н₂ ; Н₂О₂  и свободных радикалов: Н;  ОН;  О .

                При взаимодействии с F₂  образуется НF, а также   О₂ ;О₃ ; Н₂О₂ ; F₂О  и другие соединения.

                С остальными галогенами при  низких температурах вода реагирует  с образованием смеси кислот. При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворённого в ней  СI₂  и значительно меньшие количества  Br₂    и    J ₂  .

                При пропускании паров воды  через раскалённый уголь она  разлагается и образуется так называемый водяной газ. При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с   СО; СН₄  и другими углеводородами. Фосфор при нагревании с водой под давлением  в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту. Вода взаимодействует со многими металлами с образованием  Н₂  и сответствующего гидроксида. Со щелочными и щелочно-земельными металлами (кроме Мg)  эта реакция протекает уже при комнатной температуре. Менее активные металлы разлагают воду  при повышенной температуре, например, Мg  и   Zn – выше 100⁰ С;  Fe – выше  600⁰ С.              При взаимодействии с водой многих оксидов образуются кислоты или основания. Вода может служить катализатором, например, щелочные металлы и водород реагируют с CI₂  только в присутствии следов воды. Иногда вода – каталитический яд, например, для железного катализатора при синтезе  NH₃. Способность молекул воды образовывать трёхмерные сетки водородных связей позволяет ей давать с инертными газами, углеводородами, СО₂ , CI₂ , (CH₂)₂O , CHCI₃   и многими другими веществами газовые гидраты.

     5. Химический состав поверхностных вод

     В водных растворах подавляющее большинство  солей существует в виде ионов. В  природных водах преобладают  три аниона (гидрокарбонат HCO^3-, хлорид Cl^- и сульфат SO₄^2-) и четыре катиона (кальций Ca²⁺, магний Mg²⁺, натрий Na⁺ и калий K⁺) - их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния - горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90-95 %, а в высокоминерализованных - свыше 99 % всех растворенных веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов считают 1 мг/л, поэтому в ряде случаев, например для морских и некоторых подземных вод, к главным компонентам можно отнести также Br^-, B³⁺, Sr³⁺ и др. Отнесение ионов K⁺ к числу главных является спорным. В подземных и поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках ионы K⁺ могут играть главную роль. Однако ионная форма главных компонентов свойственна в полной мере лишь маломинерализованным водам. При увеличении концентрации между ионами усиливается взаимодействие, направленное на ассоциацию, т.е. процесс, обратный диссоциации. При этом образуются ассоциированные ионные пары, например MgHCO³⁺, CaHCO³⁺. Под влиянием климатических и других условий химический состав природных вод изменяется и приобретает характерные черты, иногда специфические для различных видов природных вод (атмосферные осадки, реки, озера, подземные воды). Атмосферные осадки из всех природных вод наименее минерализованы, но по химическому составу растворенных в них веществ они не менее разнообразны, чем другие природные воды. Источником их состава являются аэрозоли атмосферы. Ионный состав их довольно разнообразен. При колебаниях средней многолетней минерализации атмосферных осадков в европейской части России в пределах 10-20 мг/л и экстремальных значениях для всей территории 3-4 и 50-60 мг/л ионный состав характеризуется пестротой, причем среди анионов большей частью преобладает SO₄^2- или HCO^3-, а среди катионов в зависимости от степени удаленности от побережья Ca²⁺ или Na⁺. Непосредственно у побережья при ветре, дующем с моря, в результате ветрового механического выноса солей концентрация хлора в осадках бывает повышенной. По мере удаления от побережья относительная концентрация Cl^- падает, а SO₄^2-, Ca²⁺ и Mg²⁺, наоборот, повышается. Причиной повышения содержания SO₄^2- и Ca²⁺ является обогащение атмосферы аэрозолями континентального происхождения. По мере продвижения в глубь континента часть морских аэрозолей вымывается. Наибольшие изменения испытывает концентрация SO₄^2-. Если увеличение содержания Ca²⁺ и Na⁺ связано, скорее всего, с минеральной пылью почв и пород, на поверхности которых всегда присутствуют эти соли, то увеличение содержания SO₄^2- обусловлено, с одной стороны, окислением SO₂ и H₂S, с другой - поднятием сернокислых солей с засоленных поверхностей.         Не поддаются даже приблизительной оценке громадные количества солевых частиц, поднимаемых с почв, соленых озер, поверхности льда, удобрений и, наконец, выбрасываемых химическими и металлургическими производствами, и выбрасываемые в атмосферу в результате другой деятельность людей, а в дальнейшем вымываемые осадками.   Воды большинства рек принадлежат к гидрокарбонатному классу. По составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция; гидрокарбонатные воды с преобладанием магния и натрия - крайне редкое явление. Из природных вод гидрокарбонатного класса наиболее распространены воды малой минерализации (суммарное содержание солей до 200 мг/л).           Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны. Они распространены преимущественно в степной полосе и частично в полупустынях. В составе катионов природных вод сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций. Однако ряд рек сульфатного класса имеет преобладание натрия. По минерализации воды сульфатного класса значительно превосходят воды гидрокарбонатного класса. Речные сульфатные воды с малой (общее количество солей до 200 мг/л) и средней (общее количество солей с 200 до 500 мг/л) минерализацией встречаются сравнительно редко. Наиболее характерна для этих рек повышенная (общее количество солей с 500 до 1000 мг/л), а иногда и высокая (общее количество солей более 1000 мг/л) минерализация воды.          Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так же редко, как и реки, в воде которых преобладают сульфаты. К этой территории относятся преимущественно степные районы и полупустыни. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются главным образом ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией - свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.           Минерализация и химический состав воды озер в отличие от рек меняется в очень широких пределах. Реки с минерализацией воды свыше 100-200 мг/л, в каких бы условиях они ни находились, - очень редкое явление, в то время как минерализация воды озер бывает от очень низкой, в несколько десятков мг/л (т.е. мало отличающейся от дождевом) до очень высокой 3-3,5% (соляные озера с рассолом до предела насыщенного солями). Различие в минерализации отражается и на ионном составе воды озер. В нем наблюдаются закономерности, которые свойственны и химическому составу речной воды. С увеличением минерализации озерной воды происходит относительный рост ионов в ее составе в такой последовательности: HCO^3-→SO₄²-→Cl-; Ca²⁺→Mg²⁺→Na⁺. При минерализации до 500-1000 мг/л в составе озерной воды преобладают гидрокарбонатные ионы, свыше 0,1% - чаще всего сульфатные, а по достижении 0,3-0,5% в зависимости от литологических особенностей водосборной площади - сульфатные или хлоридные воды. В составе катионов озерных вод преобладающая роль кальция сохраняется лишь до 0,1-0,2%. При дальнейшем росте минерализации эту роль начинают играть ионы натрия. Ионы магния, так же как и во всех других водах, сохраняют при всех минерализациях промежуточное положение. Причина подобного распределения ионного состава заключается в различной растворимости солей.     Состав морской воды характеризуется большим содержанием солей. Если в водах материкового стока чаще всего наблюдается соотношение концентраций: HCO^3- > SO₄^2- > Cl^- и Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ или Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺, то для солоноватых и морских вод, начиная с общей минерализации 1 г/кг, соотношения меняются: Cl^- > SO₄^2- > HCO^3- и Na⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺. Изменение соотношений между нонами от речных к морским водам объясняется последовательным достижением предела растворимости слаборастворимых солей по мере повышения минерализации воды. В сумме ионы и соединения главных компонентов составляют по массе 99,99 % массы всех растворенных в океанской воде минеральных веществ. Между элементами основного солевого состава океанской воды, между каждым из них и их суммой существует практическое постоянство соотношений концентраций. Окончательно его доказал У. Дитмар, выполнивший полный химический анализ (хлориды, сульфаты, кальций, магний, натрий) 77 проб воды, доставленных из всех океанов с различных глубин экспедицией на "Челленджере": в воде открытого океана независимо от абсолютной концентрации количественные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны (закон Дитмара). Под влиянием испарения, атмосферных осадков, образования и таяния льдов изменяется лишь общее количество солей, содержащихся в морской воде, но их соотношения в пределах погрешностей определений практически не меняются. Таким образом, если известно точное отношение общего количества солей и концентраций всех основных компонентов в 1 кг воды к концентрации какого-либо одного ингредиента, то лишь по одному определению можно вычислить полный солевой состав океанской воды. В качестве такого "реперного" ингредиента избрана "хлорность", представляющая собой количество граммов ионов хлора, эквивалентное сумме галогенов (кроме фторидов, которые не осаждаются азотнокислым серебром), содержащихся в 1 кг морской воды (определение Серенсена). Постоянство состава океанской воды слегка нарушается под опресняющим влиянием материкового стока в приустьевых участках и во внутренних морях при затрудненном водообмене с океаном. В составе главных компонентов концентрации катионов кальция и магния, а также сумма концентраций анионов слабых кислот (HCO^3-, CO₃^2-, H₂BO^3-) подвержены более чем на 1 % отклонениям от постоянства соотношении в связи с извлечением карбоната кальция из воды в поверхностных слоях и растворением его на глубинах.      Концентрации микроэлементов настолько малы, что в сумме они не превышают 0,01 % массы всех растворенных солей. Из обобщающей сводки, что в наибольших концентрациях встречаются литий (180 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), барий (18 мкг/л), в наименьших - золото (0,004 мкг/л), редкоземельные элементы (менее 0,001 мкг/л), радий (10-7 мкг/л).   Чем более изолированно море от океана, тем заметнее отличается состав его воды от состава воды в океане. Первостепенное значение имеют условия водообмена с океаном, соотношение объема материкового стока с объемом моря, глубина моря и характер химического состава вод впадающих рек.             Подземные воды отличаются исключительным разнообразием химического состава, в том числе и ионного. Состав воды бывает всех классов, групп и типов. Ионный состав подземных вод прежде всего зависит от условий их формирования и залегания.

     5.1 Мезоэлементы

     Кроме главных ионов, содержание которых  в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях  от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный"). Азот в форме нитратов NO^3- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины и солей аммония NH⁴⁺ - при разложении органических остатков. Фосфор существует в воде в форме гидрофосфатов HPO₃^2- и дигидрофосфатов H₂PO^3-, образующихся в результате разложения органических остатков. Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Концентрация кремния в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных водах она повышается и часто достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет повышение pH раствора. Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С, 170 мг/л при 38 °С), указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой. Способствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. В очень мало минерализованных водах кремний составляет существенную, а иногда и преобладающую часть химического состава воды, несмотря на его малое абсолютное содержание. Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь. Алюминий поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин). Основной источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки (ниже обозначаются как "С"), находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей гуминовых кислот. Когда вода с растворёнными в ней ионами Fe²⁺ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)₃. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит). Синеватая плёнка на поверхности воды - это Fe(OH)₃, образующийся, когда подземные воды, содержавшие ионы Fe²⁺, вступают в контакт с воздухом. Ее часто путают с масляной пленкой, однако различить их очень легко: у пленки гидроксида железа рваные края. Если поверхность воды слегка взволновать, гидроксидная пленка, в отличие от масляной, не будет переливаться.

     5.2 Микроэлементы

     К этой группе относятся элементы, соединения которых встречаются в природных  водах в очень малых концентрациях, поэтому их и называют микроэлементами. Их концентрация измеряется микрограммами в 1 л (мкг/л), а часто имеет и более малые значения. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в нее входят все элементы периодической системы, не включенные в предыдущие группы рассмотренных компонентов. Условно их можно разделить на пять подгрупп:        1) типичные катионы (Li⁺, Rb+, Cs⁺, Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.);    2) ионы тяжелых металлов (Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ )   3) амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn);     4) типичные анионы (Br^-, I^-, F^-);        5) радиоактивные элементы.          Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется. Успешное изучение микроэлементов затруднено не только их малым содержанием в природных водах, но и в сильнейшей мере неясностью формы их присутствия в растворе. Последнее не только осложняет выяснение закономерностей их миграции и режима но и создает трудности при химическом анализе. Например, многие тяжелые металлы мигрируют в больших концентрациях именно во взвешенном, а не в растворенном состоянии. Растворенные органические комплексы образуют большинство металлов, прежде всего двух- и трехвалентные металлы с гуминовыми и фульвокислотами. Концентрация закомплексованных металлов определяется прежде всего концентрацией органических кислот. В виде коллоидных соединений присутствуют многие гидроксиды металлов. Возможно, происходит адсорбция органических веществ на поверхности коллоидов, что придает им большую стабильность в растворе.

     6. Химический состав подземных вод

     Химический  состав подземных вод. Все подземные  воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее  количество солей, газов, а также  органических соединений.      Растворенные в воде газы (О₂, С0₂, CH₄, Н₂S и др.) придают воде определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обусловливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко загрязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализационных систем, и т.д.). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей.     В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом. Полученные результата выражают в виде состава катионов и анионов, мг/л или мг-экв/л.Присутствие солей придает воде такие свойства, как жесткость и агрессивность.          Жесткость обусловливается значительным количеством растворенных в воде солей кальция и магния. Такая вода дает большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т.д. В настоящее время в СНГ жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, 1 мг-экв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг иона кальция или 12,6 мг иона магния. В других странах жесткость измеряют в градусах (1 мг-экв = 2,8°). По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3 мг-экв или 8,4°), средней жесткости (3-6 мг-экв или 8,4 - 16,8°), жесткую (6-9 мг-экв или 16,8 - 25,2°) и очень жесткую (более 9 мг-экв или 25,2°). Наилучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7 мг-экв/л.   Жесткость бывает временной и постоянной. Временная жесткость обусловлена присутствием бикарбонатов и может быть устранена кипячением. Постоянная жесткость, обусловленная сернокислыми и хлористыми солями, кипячением не устраняется. Сумма временной и постоянной жесткости называется общей жесткостью. Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при проектировании и строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды - чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность. По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод: общекислотная - оценивается величиной рН: в песках вода считается агрессивной, если рН меньше 7,а в глинах - меньше 5; сульфатная - определяется по содержанию иона S0₄^2-; при содержании S0₄^2- в количестве более 200 мг/л вода становится агрессивной; магнезиальная - устанавливается по содержанию иона Мg²⁺; карбонатная - связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты; этот вид агрессивности возможен только в песчаных породах.  Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями предъявляемыми нормативной документацией. После этого определяют меры борьбы с ней. При этом используют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т.д.

     7. Химический состав питьевой воды

     Качество питьевой воды, подаваемой централизованными системами водоснабжения, должно соответствовать санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.1.4.1074-01. Вода, поступающая в систему водопровода, проходит тщательную очистку, и ее качество находится под строгим контролем. Качество воды постоянно проверяется более чем по 130 химическим и биологическим параметрам и полностью соответствует требованиям санитарных правил и нормативов.    Содержание хлоридов и сульфатов в водах колеблется в широких пределах (от долей миллиграмма до нескольких граммов на литр) и обусловлено вымыванием солесодержащих пород или сбросом в водоемы промышленных и бытовых сточных вод. Наличие в воде хлоридов более 350 мг/л придает ей солоноватый привкус и приводит к нарушению пищеварительной системы у людей. Наличие в воде сульфатов более 500 мг/л придает ей солоноватый привкус.      Нитраты. Нитраты содержатся главным образом в поверхностных водах. Нитраты в концентрации более 20 мг/л оказывают токсическое действие на организм человека. Постоянное употребление воды с повышенным содержанием нитратов приводит к заболеваниям крови, сердечно-сосудистой системы, вызывает заболевания обмена веществ и крови.            Сульфиды (сероводород). Встречаются в основном в подземных источниках воды, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных солей (гипса, серного колчедана др.). В поверхностных водах сероводород почти не встречается, т.к. легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках может быть следствием протекания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод. Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, интенсифицирует процесс коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерии.       Железо. Содержание железа в воде выше норматива способствует накоплению осадка в системе водоснабжения, интенсивному окрашиванию сантехнического оборудования. Железо придает воде неприятную красно-коричневую окраску, ухудшает ее вкус, вызывает развитие железобактерий, отложение осадка в трубах и их засорение. Эти обрастания вторично ухудшают органолептические свойства воды за счет слизеобразования, присущего железобактериям. Высокое содержание железа в воде приводит к неблагоприятному воздействию на кожу, может сказаться на морфологическом составе крови, способствует возникновению аллергических реакций.        Марганец. По данным ВОЗ, содержание марганца в питьевой воде до 0,5 мг/л не приводит к нарушению здоровья человека. Однако присутствие марганца в таких концентрациях может быть неприемлемым для водопотребителей, поскольку вода имеет металлический привкус и окрашивает ткани при стирке. Присутствие марганца в питьевой воде может вызывать накопление отложений в системе распределения. Даже при концентрации 0,02 мг/л марганец часто образует пленку на трубах, которая отслаивается в виде черного осадка. Окисляемость перманганатная. т. е. общая концентрация кислорода, соответствующая количеству иона перманганата (MnO4), потребляемому при обработке данным окислителем пробы воды. Характеризует меру наличия в воде органических и окисляемых неорганических веществ. Этот параметр в основном предназначен для оценки качества водопроводной воды. Значение перманганатной окисляемости выше 2 мг/л свидетельствует о содержании в воде легко окисляющихся органических соединений, многие из которых отрицательно влияют на печень, почки, репродуктивную функцию организма. При обеззараживании такой воды хлорированием образуются хлоруглеводороды, значительно более вредные для здоровья населения (например, хлорфенол).  Аммоний. (NH⁴⁺) (азот аммонийный) Конечный продукт разложения белковых веществ -аммиак. Наличие в воде аммиака растительного или минерального происхождения не опасно в санитарном отношении. Если же аммиак образуется в результате разложения белка сточных вод, такая вода непригодна для питья. Превышение в питьевой воде ПДК по содержанию аммония может свидетельствовать о попадании фекальных стоков или органических удобрений в источник. По данным ВОЗ, содержание аммония не должно превышать 0,5 мг/л. Постоянный прием внутрь воды с повышенным содержанием аммония вызывает хронический ацидоз и изменения в тканях. Кроме того, аммиак (в виде газа) раздражает конъюнктиву глаз и слизистые оболочки.    Щелочность. (потребление кислоты аликвотной частью образца воды при титровании 0,05н НСl). Под общей щелочностью воды подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов ОН и анионов слабых кислот, например угольной (НСО3).         Сухой остаток. Минерализация воды характеризуется двумя аналитически определяемыми показателями - сухим остатком и жесткостью. Сухой остаток определяется термогравиметрическим методом (выпаривание пробы воды на водяной бане и высушивания чашки при 105°С. В процессе обработки из пробы удаляются летучие компоненты и вещества, разлагающиеся с образованием летучих компонентов. Для гигиенистов сухой остаток служит ориентиром содержания в воде неорганических солей.  Кислород растворенный. Концентрация растворенного О2 резко снижается с повышением температуры воды. Так, при температуре 20 °С растворимость составляет 9080 мкг/кг, при 60 °С - 4700 мкг/кг, при 80 °С - 1500 мкг/кг.           Хлор остаточный. С уровнем избыточного, или так называемого остаточного, хлора в воде связывают в настоящее время представление о надежности обеззараживания. Поскольку хлорирование воды проводят хлором, находящимся в воде в свободной или связанной форме, остаточные его количества присутствуют в воде в виде свободного (хлорноватистая кислота, гипохлоритный ион) или связанного (хлораминового) хлора. В силу бактерицидной активности этих форм хлора различны и нормативы их содержания в питьевой воде (для свободного хлора - 0,3-0,5 мг/л, для связанного - 0,8-1,2 мг/л). Все соединения активного хлора обладают очень сильным бактерицидным действием, но если их концентрация больше нормативов, то они вызывают раздражение кожи, слизистых оболочек, дыхательных путей. Известно также, что при хлорировании воды образуется НСlO которая взаимодействует с железом, образуя растворимые соли, что повышает коррозионную активность такой воды.     Медь и её соединения широко распространены в природе, поэтому их часто обнаруживают в природных водах. Концентрации меди в природных водах обычно составляют десятые доли мг/л, в питьевой воде могут увеличиваться за счет вымывания из материалов труб и арматуры, особенно мягкой, активной водой. Свойства меди в воде зависят от значения рH воды, концентрации в ней карбонатов, хлоридов и сульфатов. Медь придает воде неприятный вяжущий привкус в низких концентрациях (более 1,0 мг/л).  Кроме того, в питьевой воде могут присутствовать другие органические и неорганические соединения – бензапирен, бензол, кадмий, магний и др.           Сегодня требования к качеству воды довольно строги и направлены на то, чтобы гарантировать нам с вами, что мы употребляем чистую и безопасную воду. Несмотря на очевидную пользу обеззараживания питьевой воды хлором, многих беспокоит влияние остаточного хлора и хлорорганических соединений на организм человека. При соединении органических веществ с хлором образуются тригалометаны. Эти производные метана обладают выраженным канцерогенным эффектом, что способствуют образованию раковых клеток. А при кипячении хлорированной воды могут образовываться и диоксины - вещества, негативно влияющие на иммунную систему человека Исследования, проведенные в разных странах, подтвердили токсичность этих примесей, способных приводить к тяжелым заболеваниям почек, печени, появлению врожденных аномалий и раковых заболеваний. Если вы пьете воду из-под крана, то должны знать, что в ней есть хлорорганические соединения, количество которых после процедуры обеззараживании воды хлором достигает нескольких сотен. Причем это количество не зависит от начального уровня загрязнения воды, эти веществ образуются в воде благодаря хлорированию. Мгновенных последствий от потребления такой питьевой воды, конечно, не будет, но в дальнейшем это очень серьезно может сказаться на вашем здоровье. Уменьшить содержание тригалометанов в воде можно, снизив количество используемого хлора или заменив его другими дезинфицирующими веществами, например, применяя гранулированный активированный уголь для удаления образующихся при очистке воды органических соединений.        Тяжёлые металлы в виде солей и окислов (алюминий, железо, свинец, никель, цинк также могут присутствовать в питьевой воде. Например, алюминий, используемый в фильтрах, может оставаться в воде. Остальные металлы вода получает на пути следования к потребителю, в то время пока течет по ржавым, старым трубам. При поступлении в организм металлы накапливаются и приводят к самым различным заболеваниям.    Кроме этого в воде могут быть нитраты, пестициды, фенолы, поверхностно-активные вещества, нефтепродукты.  

 
     Заключение

     Вода  играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений. Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля в настоящее время. 
 
 
 
 
 
 

 
     Список  использованных источников                    1. Ахманов М.А. Вода, которую мы пьём. М.: Эксмо, 2002.-192с.   2. Ввозная Н.Ф. Химия воды и микробиология: Учеб. пособ для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1979.-340с.      3. Глинка Н.Л Общая химия: Учеб. пособ. для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. –Л: Химия, 1985.- 731с.        4. Карюхин Т.А.,Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология: Учеб. пособие для техникумов.- 3-е изд., перераб. и ддоп. –М.: Стройиздат, 1995.-208 с.             5. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Учеб. пособ. для вузов.- М: Химия, 1973.- 656 с.          6. Нечаев А.П., Траубенберг С.Е., Кочеткова А.А. Пищевая химия. Учеб. пособ. для вузов.- 3-е изд., - СПб.: ГИОРД, 2007.-641с.     7. СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», введен с 1 января 2002 года.      8. Химический состав воды [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://all-about-water.ru/chemical-composition.php     9. Химический состав  подземных вод Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.alseidaprojekt.ru/izisk_statya_p_4.html