Вода як хімічна сполука, її структура, ізотопний склад

Проектна робота

З хімії, На тему:

«Вода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконувала роботу:

Єфіменко Анна

 

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ПРИРОДНИХ  ВОД

Вода як хімічна сполука, її структура, ізотопний склад. Хімічні  властивості. Вода як розчинник. Соляний  склад природних вод. Головні іони, біогенна та органічна речовина, розчинені гази, мікрокомпоненти. Особливості соляного складу атмосферних опадів, річкової та морської води.

1. Вода як хімічна  сполука, її структура, ізотопний  склад

Вода - це хімічна сполука  водню з киснем. Вода складається з 11,11% водню і 88,89% кисню (по масі). При утворенні води з одним атомом кисню з'єднується два атоми водню. В молекулі води атоми кисню і водню розташовані по кутах рівнобедреного трикутника: при вершині знаходиться атом кисню, а в кутах при основі - по атому водню. Внаслідок того, що обидва атома водню зсунені в одну сторону від атому кисню, молекули води характеризуються значною полярністю, тобто неврівноваженістю позитивних і негативних електричних зарядів. Сторона молекули з атомом кисню має деякий надмір негативного заряду електрики, а протилежна сторона, в котрій знаходяться атоми водню, - надмір позитивного заряду. Полярність та деякі інші сили обумовлюють здатність молекули води об'єднуватися в асоціації - по декілька разом.

Найпростішу формулу Н2О має молекула пароподібної води (гідроль).

Вода в рідкому стані - це переважно поєднання двох простих  молекул (Н2О)2 (дигідроль).

У твердому стані (лід) - це поєднання трьох простих молекул (Н2О)3 (тригідроль).

У льоді звичайно переважають  молекули тригідроля, що мають найбільший об'єм, а прості, що не поєдналися, відсутні. В пароподібному стані при температурі вище 1000С вода складається головним чином з молекул гідроля, тому що значна швидкість руху молекул при цій температурі порушує асоціацію (об'єднання) молекул. В рідкому стані вода являє собою суміш гідроля, дигідроля та тригідроля. Співвідношення між цими ізотопами залежить від температури.

 

 

 

 

2. Хімічні властивості  води

Основні хімічні властивості  води - агресивність і накипоутворення.

Агресивність - це здатність води руйнувати метали, бетон і вапняні кладки, газами і солями, що розчинені в ній, а також вилуженням.

Накипоутворення - це відкладення  карбонатних солей на стінках  парових котлів, чайників та ін.

Вода має і лікувальні властивості. Це мінеральні води, що вміщують специфічні мікроелементи або розчинені гази (сірководень).

Хімічні властивості  води визначаються газами і солями, що розчинені в ній, і характеризуються наступними показниками:

а). Концентрація іонів  водню (рН).

Концентрація іонів водню у воді - це вміст іонів водню в розчині, що виражається в грам-іонах на літр розчину. Якщо в воді при 22оС вміщується 10-7 г/л іонів водню (Н+), то вона буде мати нейтральну реакцію; при меншому вмісті іонів водню реакція буде лужною, а при більшому - кислотною.

Концентрацію іонів  водню прийнято виражати умовно символом рН, що означає від'ємний логарифм числа, що її характеризує.

Таким чином, при рН=7 реакція  води нейтральна, при рН<7 - кисла, а  при рН>7 - лужна.

б). Жорсткість.

Жорсткість води виражається сумою міліграм-еквівалентів кальцію і магнію, що вміщуються в1 л води.

Розрізняють жорсткість загальну, переборну та постійну.

Загальна жорсткість - це загальна кількість кальцію  і магнію, що вміщуються в воді.

Переборна жорсткість характеризує ступень зменшення жорсткості води при тривалому її кип'ятінні.

Постійна жорсткість - це жорсткість, що залишається після  випадання карбонатних солей  в результаті кип'ятіння води.

В залежності від загальної  жорсткості розрізняють воду: дуже м'яку (до 1,5 мг-екв/л), м'яку (1,5 - 3,0 мг-екв/л), помірно жорстку (3 - 6 мг-екв/л), жорстку (7 - 9 мг-екв/л), дуже жорстку (вище 9 мг-екв/л).

в). Мінералізація води.

Мінералізація води - це ступень концентрації та склад розчинених у воді речовин. В залежності від відносного складу розчинених мінеральних речовин води поділяють на:

прісні - з вмістом  розчинених речовин до 1 г/кг;

солонуваті - до 1 - 25 г/кг;

солоні - >25 г/кг.

Природні води, що мають  мінералізацію більше 1 г/л і вміщують ряд специфічних мікроелементів, які благотворно впливають на людину, називаються мінеральними.

3. Вода як розчинник.  Соляний склад природних вод

Природні води - це однорідний розчин, до складу якого входять  вода, солі, незначна кількість завислих твердих частинок, розчинених газів  і органічних сполук.

Природні води мають  гідрохімічну класифікацію. Гідрохімічна класифікація - це поділ вод на певні  групи в залежності від наявності  й співвідношення в них (в мг/екв) різних іонів. Іони в природних водах  представляють собою атоми, у  яких порушена електростатична рівновага внаслідок переходу деякої частини їх електронів у склад сусідніх атомів або внаслідок залучення зайвих електронів. Позитивно заряджені іони, тобто атоми, що лишилися частини електронів, називаються катіонами, а негативно заряджені - аніонами.

Процес утворення іонів  в природних водах відбувається, наприклад, при розчині у воді електролітів (кислот, основ, солей). В  гідрохімії розглядаються головним чином розчини солей.

По О.А. Альокіну, виділяються  наступні гідрохімічні класи вод:

По О.А. Альокіну, виділяються  наступні гідрохімічні класи вод:

1) гідрокарбонатний з  перевагою іонів НСО3 - + СО3 2-;

2) сульфатний з перевагою  іонів SO4 2-; 3)

хлоридний з перевагою  іонів Cl-.

 

 

 

Кожний клас поділяється  потім на три групи по катіону, що переважає: кальцій (Са2+), магній (Mg2+) або натрій + калій (Na+ + K+).

В свою чергу кожна  група поділяється на три типи, що характеризуються різними співвідношенням  між іонами.

Перший тип характеризується співвідношенням: НСО3 - > Са2+ + Mg2+;

Для другого типу характерно співвідношення: НСО3 - < Са2+ + Mg2+ < НСО3 - + SO4 2-;

Третій тип має співвідношення: НСО3 - + SO4 2- < Ca2+ + Mg2+;

Четвертий тип характеризується простим співвідношенням: НСО3 - = 0, тобто  води цього типу кислі. Завдяки цьому  в клас карбонатних вод цей тип не входить, а належить тільки до сульфатного і хлоридного класів в групах Са2+ і Mg2+, де немає першого типу.

До гідрокарбонатних вод належить більша частина мало мінералізованих вод суходолу - річкових, озерних, підземних. До цієї ж групи належать і деякі озера з підвищеною мінералізацією, що вміщують СО3 2-.

До хлоридного класу  перед усім відносяться води океанів, морів, лиманів, реліктових озер, а також  води материкових озер і підземні води аридної зони в умовах розповсюдження солончакових ґрунтів.

Води сульфатного класу  по величині мінералізації та по їх розповсюдженню є проміжні між водами карбонатного і хлоридного класів. Ці води представлені озерами і річками  з підвищеною мінералізацією.

 

 

 

 

 

 

 

4. Головні іони, біогенна  та органічна речовина, розчинені гази, мікроелементи

До головних іонів, що зустрічаються в найбільшій кількості  в природних ( річкових і озерних) водах і визначають ступень її мінералізації й хімічний склад, належать наступні: кальцій (Са2+), магній (Mg2+), натрій (Na+), калій (K+), гідрокарбонати (НСО3-), карбонати (СО32-), сульфати (SO42-), хлориди (Cl-).

Звичайно співвідношення між іонами в річковій воді спостерігається  у вигляді НСО3 - > SO4 2- > Cl- і Ca2+ > Mg2+ >Na+ . Ця тенденція найбільш справедлива  для річок з мало мінералізованою водою, при підвищенні мінералізації спостерігається підвищений зріст SO4 2- і Cl- і перехід від переваги Са2+ до переваги Nа+.

Крім зазначених головних іонів, у воді знаходяться іони біогенних  речовин. Біогенні речовини - це неорганічні речовини, поява котрих пов'язана головним чином з розпадом організмів водних рослин і тварин. До іонів біогенних речовин в першу чергу належать: нітрати (NO3-), нітрити (NO2-), амоній (NH4+), фосфор (Р), залізо (Fe), кремній (Si). Вони мало впливають на загальну мінералізацію води, але грають велику роль в життєдіяльності водних організмів.

Органічна речовина в  природних водах - це продукти рослин і тварин, що населяють водне середовище. Органічна речовина складається  головним чином з вуглецю, кисню й водню при дуже малої кількості азоту, фосфору, сірки, калію й деяких інших елементів.

Для характеристики кількості  органічної речовини, що знаходиться  в воді прийнята величина так званої окислюваності води. Окислюваність  води - це кількість міліграмів кисню, що необхідно на окислювання органічної речовини в 1 л води. Виділяють перманганатну окислюваність по окислювачу перманганату калію (КМпО4) і біхроматну окислюваність по окислювачу біхромату калію (К2Сr2О7).

Виділяють наступні градації окислювання річкових вод (мг О/ л):

дуже мала до 2

мала 2 - 5

середня 5 - 10

підвищена 10 - 20

висока 20 - 30

дуже висока - вище 30

 

Найбільші значення окислювання  властиві річковим водам, які мають  багато гумусових речовин, наприклад, річки Півночі.

В природних водах знаходяться також розчинені гази. Це - кисень О2, діоксид вуглецю СО2, сірководень Н2S та інші.

Спостереження за газовим режимом  в річках, озерах, морях, тобто за зміною вмісту розчинених газів усередині  водної маси, має велике значення. Наприклад, вміст кисню регламентується для водойм, що мають рибогосподарське та питне значення.

Води, що вміщують в розчині сірководень  в кількості не менше 1 мг/л, мають  назву сірководневі. Вони використовуються в медицині.

В розчині води є також мікроелементи: мідь (Cu), цинк (Zn), марганець (Mn), кобальт (Со) та ін.

5. Особливості соляного складу  атмосферних опадів, річкової та  морської води

Склад морської води. Вода як розчинник  солей та газів. Мутність та прозорість води, її вимірювання.

Більша частина води, що приймає  участь у кругообігу вологи на планеті, постійно знаходиться в океані, де її зосереджено близько 97%. З точки зору хімії, морська вода є розчинник практично будь-яких хімічних елементів, хоча не всі з них поки що визначені. Окрім того, концентрація деяких з них настільки мала, що їхню присутність можна виявити тільки за допомогою сучасних методів аналітичної хімії. Деякі з цих розчинених компонентів люди вже навчилися добувати з води в комерційних цілях. Окрім кухонної солі (NaCl), в значних масштабах добувають магній та бром. Існує багато проектів добування з морської води цінних металів, зокрема золота, але всі вони виявились економічно невигідними по причині низької концентрації цих металів у воді. Перспективними можуть виявитись спроби використовувати іонообмінні смоли в фільтрах на трубопроводах з морською водою.

Завислі частки, які поступово  осідають на дно і утворюють океанські  нашарування, відділяються від розчинених компонентів при фільтруванні води через дуже тонкий фільтр (0,45 мкм). Завислі  частки залишаються на фільтрі, а розчинені компоненти проходять через фільтр разом з водою. Ці завислі частки зменшують прозорість води (тобто збільшують її каламутність) і збільшують її щільність. Прозорість води, до речі, визначається глибиною, на якій ще виразно видно диск білого кольору діаметром 0,30 м, що опускається на канаті у воду.

 

 

 

 

 

6. Солоність води та  її визначення

Здавалось би, випарювання - це самий  простий спосіб відділити солі від  води, в якій вони розчинені. Якби можна  було випарити всю воду без втрати солей, ми змогли б визначити масу солі, розчиненої в одиниці маси морської води. В дійсності, на жаль, при нагріванні морської води до температури кипіння деякі іони при взаємодії утворюють гази, що теж випаровуються в атмосферу. По цій причині такий спосіб визначення солоності води не можна вважати задовільним.

В 1 кг морської води розчинено близько 35 г солі. Вісім іонних компонентів  складають 99,9 % від всієї маси солі і їх вважають основними елементами соляного складу морської води.

Хлорид (Cl-) ............................ 55,04 %

Натрій (Na+)............................ 30,61 %

Сульфат (SO4).......................... 7,68 %

Магній (Mg++)......................... 3,69 %

Кальцій (Ca++)........................ 1,16 %

Калій (К+)................................. 1,10 %

Бікарбонат (НСО3-).............. 0,41 %

Бромід (Br-)............................. 0,19 %

Інші........................................... 0,12 %

Ще в позаминулому столітті було встановлено, що хоча концентрація солі в пробах води, взятих в різних місцях Світового океану, різна, однак співвідношення основних солей залишаються на диво сталими (постійними). Новітні дані стверджують, що це практично справедливо для всіх випадків, за винятком дуже круто розведеної морської солі (рапи).

Приблизно до 1960 р. закон сталості соляного складу морської води був основою для визначення вмісту в морській воді солі, тобто солоності, яка визначається в г/кг, або промілях (‰). По даному методу визначали хлорність морської води титруванням із нітратом срібла. Хлорність - це сумарний вміст хлору, брому, йоду, що випадають в осад у вигляді сполук срібла в даній масі морської води. Цей осад забарвлений у білий колір. Потім по хлорності розраховують солоність. Для цього використовують наступне емпіричне співвідношення:

S = 1,80655 Cl

В останні роки визначення солоності титруванням хлору  було замінено вимірюванням електропровідності, для чого використовується так званий вимірювач солоності (солемір). Цей  спосіб дуже ефективний, оскільки ці вимірювання  виконуються достатньо швидко. До того ж електричні сигнали легко передаються на реєстратор, якщо необхідно провести вимірювання на глибині (in situ). Основні проблеми при цьому виникають із-за сильної залежності електропровідності від температури і в меншому ступені - від тиску. Для усунення їхнього впливу зараз використовують спеціальні компенсатори.

Максимального значення солоність верхнього шару морської води досягає в районі двадцятих  градусів широти, де випаровування  перевищує опади (зона пасатної циркуляції). В екваторіальній зоні значні опади, а в високих широтах утворення й танення криги ускладнює розподіл солоності верхнього шару й призводить до її сезонних коливань. На значній глибині значення солоності води майже не відчувають коливань - нижче двох кілометрів солоність майже не змінюється, знаходячись між 34,5 та 35 ‰.