Учебник. Химия гидросферы



Химия гидросферы

Особенности гидросферы определяются особенностями воды: ее физические свойства обусловлены химическим строением.

Вода H2O на 99,73 % состоит из 1H216O, но в природе встречается еще дейтерий (стабилен) 2D и тритий (3T, –β), а если принять во внимание, что кроме 16O есть еще 17O и 18O, то в природе встречается девять разновидностей воды.

Жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °С (принята за единицу), а переход в твердое состояние, сопровождающийся изменением упаковки молекул, понижает плотность до 0,9. Это обстоятельство (лед плавает) и малая теплопроводность льда во многом способствуют стабилизации процессов в гидросфере.

Большую часть Земли покрывает вода

Все свойства воды обусловлены наличием двух неподеленных электронных пар у атома кислорода, атомные орбитали которого гибридизированы по sp3-типу, и способностью атомов водорода соседних молекул образовывать с этими неподеленными электронными парами достаточно прочные водородные связи. В результате как жидкая, так и кристаллическая вода (лед) оказываются хорошо структурированными, хотя число локальных нарушений дальнего порядка при плавлении возрастает.

Экспериментально установлено, что протон в воде может быть только гидратированным. Гидратация не исчерпывается реакцией H+ + H2O = H3O+. Последовательно может присоединиться несколько молекул воды: H 3 O + + H 2 O H 5 O 2 + + H 2 O H 7 O 3 + и т. д.

Исходя из постоянства произведения ионов H+ и OH, образующихся при диссоциации H2O = H+ + OH, важнейшим критерием поддержания жизнеспособности условий в воде и почве является узкий интервал изменений водородного показателя (pH) в пределах 6–9. В природной воде прежде всего растворяются газы атмосферы: O2, N2 (рис. 10.7) и CO2.

Растворимость N2 и O2 воздуха и чистых азота и кислорода при атмосферном давлении.

Хотя растворимость кислорода в два раза больше растворимости азота, но из-за большего парциального давления (78 %) в природной (дождевой) воде азота растворено в два раза больше, чем кислорода. Минерализация воды приводит к уменьшению растворимости воздуха. Так, при 0 °С растворимость кислорода (чистого) составляет 49 мл/л, а морской воде только 15 мл/л. Необходимое для окисления растворимых в воде веществ количество кислорода называется биохимической потребностью в кислороде (БПК).

Так, чистая вода, вытекающая из-под ледников, имеет БПК < 1 млн–1, пригодная для питья – < 5 млн–1, а канализационная – 100–500 млн–1.

Большую проблему создают попадающие в водоемы нитраты и фосфаты, поскольку они при неумелом использовании вызывают заболевание малопроточных водоемов и прудов.

Растворение CO2 в воде сопровождается химическим взаимодействием с установлением равновесия: C O 2 + H 2 H 2 C O 3 K 1 H + +HC O 3 - K 2 H + +C O 3 2- K1 = 4,5 ċ 10–7, K2 = 5,6 ċ 10–11.

Обычные методы измерения констант диссоциации не позволяют отличить растворенный CO2 от H2CO3 в растворе. Так как равновесие устанавливается быстро, то за контанту равновесия этой реакции Kравн = [H2CO3] / [CO2]ċ[H2O] обычно принимают первую константу диссоциации угольной кислоты (K1 = 4,5 ċ 10–7). Вместе с тем найдено, что H2CO3 / CO2 = 0,0037; это означает, что только 0,37 % растворенного CO2 находится в виде H2CO3. Если бы весь растворенный CO2 находился в виде H2CO3, то K1 = 1,8 ċ 10–4, что позволяет отнести H2CO3 к умеренно сильным кислотам. Практически из-за быстрого установления равновесия гидратации CO2 приходится пользоваться не действительной константой диссоциации K1 = 1,8 ċ 10–4, а кажущейся K1 = [H+]ċ[H2CO3] / CO2 = 4,5 ċ 10–7, относящейся к реакции CO2 ċ H2O = H+ + HCO3.

Другим источником поступления карбонат- и бикарбонат-ионов являются карбонаты:
1. CaC O 3 C a 2+ +C O 3 2- ,  ПР CaC O 3 =9,4ċ 10 -9 ;
2. CaC O 3 +C O 2 + H 2 O=Ca ( HC O 3 ) 2 3. MgC O 3 +C O 2 + H 2 O=Mg ( HC O 3 ) 2 }   временная жесткость воды (устраняется кипячением)

Равновесие, устанавливающееся между H2CO3 и гидрокарбонат-ионом, определяет буферную емкость природных вод, что очень важно для поддержания постоянства в них pH.

PH почвенных вод может колебаться от 3 до 10. Однако кислотность почв, благоприятных для произрастания растений, мало отличаются от pH = 6. Морские организмы еще более чувствительны к pH среды обитания. Океаническая вода имеет pH = 8, а pH прибрежных вод ≈ 9. При pH < 7,5 многие морские организмы погибают. При pH < 7,0 морские организмы уже не в состоянии образовывать карбонатные скелеты.

Следует отметить, что произведение растворимости CaCO3 в морской воде при 20 °С более чем в 100 раз превышает таковое в пресной воде из-за влияния других ионов. А произведение концентраций [ C a 2+ ]ċ[CO32-] на глубинах до 1 км превышает П Р CaC O 3 , что предопределяет способность некоторых морских организмов извлекать растворенный CaCO3 для построения раковин и скелетных тканей.

С глубиной концентрация Ca2+ снижается, что способствует растворению CaCO3, составляющего основу раковин и скелетных тканей отмерших организмов.

Кроме Ca2+ и HCO3- морская вода содержит катионы Na+, K+, Mg2+, Fe3+, Mn2+ и анионы Cl-, Br-, I-, BO33-, SO42-, определяющие ее соленость (S). За величину солености принят вес сухого остатка после упаривания 1 кг морской воды и перевода карбонатов в оксиды, бромидов, иодидов в хлориды, а органические вещества сожжены при 480 °C. Соленость измеряется в г/кг или промилле (‰).

Атлантический океан

Мировой океан содержит до 1017 тонн минерального сырья, включая серебро (5ċ1010 т), золото (1,1ċ107т).

Фитопланктон мирового океана продуцирует почти столько же кислорода, что и все зеленые растения суши.

Промышленные выбросы, попадая в воду, влияют не только на pH, но и на содержание анионов и растворимость газов, приводя иногда к гибели основных видов флоры и фауны в нем. Наиболее опасными загрязнителями являются стронций, кадмий, свинец и особенно ртуть. Последняя может переходить в диметил-ртуть, которая, попадая с пищей (рыбой), воздействует на центральную нервную систему, вызывая психические и другие расстройства (болезнь Минимата).

Минералогический состав пресной воды определяет ее жесткость (устранимую и постоянную), что требует специальной обработки перед использованием в нагревательных системах для предотвращения образования накипи.

Наилучшим решением промышленного водоснабжения является организация замкнутых водооборотных систем, полностью исключающих сброс в водоемы сточных вод.





 

© Физикон, 1999-2015