Klasyfikacja wód naturalnych w zależności od ich składu jonowego i stopnia mineralizacji.

 

Klasyfikacja wód naturalnych uwzględniająca stopień mineralizacji została zawarta w tabelce. Granicę wód słodkich ustalono na stężenie wyczuwalne smakiem, tj. 1 kg*m^-3. W wodach morskich stopień mineralizacji nie przekracza 50 kg*m^-3. Wyższe stopnie zasolenia są charakterystyczne dla słonych jezior i wód podziemnych silnie zmineralizowanych. Klasyfikacja wód według stopnia mineralizacji pozwala tylko na bardzo ogólny podział i nie uwzględnia zawartości jonów ani gazów.

Kształtowanie się składu wód od opadowych do podziemnych.

 Wody opadowe: W znacznej ilości posiadają: Tlen, Azot, Dwutlenek węgla; W małych ilościach: Gazy szlachetne, Amoniak, Tlenki azotu, Wodorowęglan amonu, Azotan (V) amonu oraz azotan (III) amonu, Siarczan sodu, Chlorek sodu, Nierozpuszczalne sole wapnia oraz magnezu, Związki krzemu;

W regionach uprzemysłowionych: Dwutlenek węgla, Amoniak, Siarkowodór, Tlenki azotu i siarki, Metale ciężkie, Tlenki fosforu, żelaza, ołowiu oraz cynku;

W obszarach rolniczych: Środki owadobójcze, Środki chwastobójcze, Środki grzybobójcze;

Skład wód opadowych zależy od: Czystości atmosfery, Wielkości opadów, Kierunku wiatru, Wysokości chmur, Rodzaju opadów;

Obszary leśne i wysokogórskie – najczystsze wody opadowe.

Wody podziemne: skład chemiczny wód podziemnych nie jest stały i ulega ciągłym zmianom, zależy od: Ilości i rodzaju wód opadowych i powierzchniowych, Zanieczyszczenia powierzchni ziemi i górnych warstw gruntu

Występują:C0₂, H₂S, NH₃, CH₄, H₂, Chlorki, siarczany, azotany, Małe ilości fluorków, bromków, jodków i fosforanów;

Wodne układy dyspersyjne
Układ dyspersyjny jest co najmniej dwuskładnikowym układem złożonym z fazy dyspersyjnej (rozpraszającej) i z fazy zdyspergowanej (rozproszonej). Biorąc pod uwagę średnicę cząstek fazy rozproszonej, układy dyspersyjne dzielimy na:
a) roztwory właściwe (rzeczywiste)
średnica cząsteczek fazy rozproszonej: mniejsza od 1 nm
charakterystyka: układ homogeniczny (jednofazowy) wieloskładnikowy o rozdrobnieniu molekularnym – optycznie jednorodny
b) układy koloidalne
średnica cząsteczek fazy rozproszonej: 1 – 100 nm
charakterystyka: układ heterogeniczny (niejednorodny)
c) zawiesiny
średnica cząsteczek fazy rozproszonej: większa od 100 nm
charakterystyka: układ heterogeniczny (wielofazowy) wieloskładnikowy o rozdrobnieniu makroskopowym – nietrwały (rozdzielenie przez sedymentację).

Klasa wód	Zawartość suchej pozostałości,kg*m^-3	Uwagi
Słodkie Słabo zmineralizowane Średnio zmineralizowane Zmineralizowane Solanki	do 1 1-3 3-10 10-50 Powyżej 50	pitne solanki   wody o zasoleniu morskim wody o zasoleniu większym niż morskie

Naturalne związki organiczne w wodach.

W wodach naturalnych powstają w wyniki chemosyntezy i fotosyntezy; przyswajany kwas węglowy i sole odżywcze są zużywane do budowy komórki organicznej, będącej pierwotną substancją organiczną; substancje autochtoniczne – to substancje organiczne powstające w wodach naturalnych w procesie fotosyntezy i chemosyntezy w czasie działalności życiowej organizmów wodnych, tj. substancje genetycznie związane z procesami naturalnymi zachodzącymi w obrębie danego zbiornika wodnego; substancje allochtoniczne -  substancje organiczne napływające z zewnątrz; związki organiczne mogą być pochodzenia naturalnego lub sztucznego; naturalne związki organiczne to: białka, tłuszcze; celuloza; glukoza; laktoza; sacharoza; chlorofil; skrobia; glikogen; lignina; kwas ligninosulfonowy; garbniki;

Substancje organiczne występujące w wodach naturalnych mogą być pochodzenia naturalnego lub syntetycznego zawartość związków naturalnych i sztucznych w wodzie zależy od pochodzenia wody i st. jej zanieczyszczenia:

BIALKA-aminokw-rozklad materiał organiczny

POLINUKLEOTYDY-nukleodtydy-zas.purynowe, pirmid

LIPIDY(tluszce, woski, oleje)-kw.tluszczowe, glicerol- kw.o krotkich lancuchach, -nierozp w wodzie-wymagaja specjalnych procesow oczyszczania wartwa tl od wody

WEGLOWODANY(celuloza,lignina-rozklad roslin-trudno rozp) monocukry, oligopcukry- glukoza, fruktoza, ryboza (c. proste-latwo rozp)

PIGMENTY ROSLINNE-chlorofile, karetonoidy

SUBST. KOMPLEKSUJACE POWST. Z POSREDNICH PROD. ROZKL. ZW. NAT

zw.humusowe( gleba, torf, sciolka, szcatki roslin)-duza gr. wieloczast. zw.org poch nat. tworza kompleksy z jonami metali, maja wlasnosci adsorbowania pestycydow

Naturalne związki organiczne w wodach substancje organiczne występujące w wodach naturalnych mogą być pochodzenia naturalnego (roś, zwierz i sztucznego) zawartość naturalnych i syntetycznych org w wodzie zależy od pochodzenia wody i stopnia jej zanieczyszczenia

a) węglowodany (sacharydy, cukry) znajdujące się w wodach naturalnych mogą być pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, z rozkładu obumarłych roślin i organizmów zwierzęcych żyjących w wodzie. Ponadto źródłem tych w wodach powierzchniowych ą również zrzuty ścieków bytowo-gospodarczego, miejskich i przemysłowych.

B) tłuszcze i oleje znajdujące się w wodach naturalnych są podochodzenia naturalnego- z rozkładu org roślinnych i zwierzęcych lub mogą pochodzić z zanieczyszczeń ściekami miejskimi lub przemysłowymi. Tłuszcze i oleje występują w wodzie pod postacią emulsji lub jako roztwory koloidalne.

C) białka- substancje te w wodach naturalnych pochodzą z układu obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących w wodzie lub przedostających się do sody ze ścieków i innych źródeł.

lignina i kwasy ligninoulfonowe- lignina dostaje się do wód naturalnych w wyniku rozkładu roślin oraz ze ścieków przemysłu celuzowo-papierniczego. W ściekach z produkcji masy papierniczej oprócz ligniny mogą występować różne kwasy ligninoalfonowe, które są produktami sulfonowania lignin.

Związki azotowe jako wskaźniki zanieczyszczenia wód
Pewne ilości azotu znajdują się w glebie i w wodach naturalnych pod postacią rozpuszczonych soli i związków organicznych oraz w żywej biomasie jako podstawowy składnicach białka roślinnego i zwierzęcego przechodzenie jednej postaci chemicznej azotu w drugą odbywa się również w wodach naturalnych w których bakterie wodne biorą udział w hydrolitycznym rozkładzie, amonifikacji, nitryfikacji, denitryfikacji związków azotowych.

a) azot organicznych: w wodach naturalnych może być pochodzenia roślinnego luz zwierzęcego, gdy powstaje z odumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących w wodzie lub dostających się do wody ze ściekami w wodach powierzchniowych źródłem azotu organicznego mogą być również ścieki miejskie i przemysłowe.

b) azot nieorganiczny: w wodach naturalnych obejmuje: amoniak, azotyny, azotany. W wodach zanieczyszczonych ściekami przem mogą występować także cyjanki, cyjaniany, rodniki. Źródłem azotu nieorganicznego w wodach naturalnych są ścieki, spływy z gleby nawożonej nawozami azotowymi, wody opadowe.

c) amoniak i sole amoniowe dostają się do wód naturalnych z gleby, atmosfery i ścieków. Duża zawartość amoniaku w wodach użytkowych jest niepożądana gdyż zwiększa on korozje rur wodociągowych. W ocenie czystości wód istotne jest pochodzenie amoniaku gdyż ten pochodzących z odpadów zwierzęcych może świadczyć i obecności bakterii chorobowych.

d)cyjanki: występują w wodach naturalnych bardzo rzadko, tylko w przypadku zanieczyszczenia ściekami z gazowni, zakładów obróbki metali. Normalna dla wody do picia według ŚOZ dopuszcza do 0,05gCN^-*n^-3

Metale ciężkie w wodach i ich oddziaływanie toksyczne
1. Miedź- w większych ilościach związki miedzi są szkodliwe dla zdrowia. Szkodliwe dawki dzienne mogą dochodzić do 100 mg Cu. Związki miedzi są b. szkodliwe dla ryb.

2. Cynk- jego występowanie w wodzie do picia nie jest pożądane, ze wzgl. na jej metaliczny smak i mętnienie w środowisku zasadowym.

3. ołów – w wodzie naturalnej może pochodzić z gruntu, zanieczyszczeń ściekami przemysłowymi, korozji zbiorników rur itp. Ze względu na właściwości toksyczne oraz zdolności kumulowania się w organizmie ludzkim, ołów jest szkodliwy dla zdrowia. Hamuje on biochemiczny rozkład subst. organ. W ściekach i wodach powierzchniowych.

4. Rtęć- związki rtęciowe są przeważnie słabo zdysocjowane i w przeciwieństwie do ołowianych są mniej toksyczne. Rtęć wykazuje jeden z największych współczynników akumulacji w organiz. Żywych we florze i faunie. Trujące właściwości rtęci wykorzystywane są w wielu preparatach (m.in. w pestycydach)

5. Kadm- jest pierwiastkiem silnie toksycznym i kumuluje się w oragn. Obecność miedzi i cynku wzmaga jego toksyczność. U człowieka powoduje anemię, zahamowanie wzrostu, zakłócenie pigmentacji.

6. Arsen- są b. toksyczne i w stężeniach ponad 0.2g As *m^-3 powoduje chroniczne zatrucia. Krótkotrwałe picie mineralnych wód arsenowych ma działanie lecznicze (wzmożenie wytwarzania czerwonych krwinek szpiku kostnego i białka).

metale ciężkie: kadm (Cd), chrom (Cr), rtęć (Hg), nikiel (Ni), ołów (Pb), cynk (Zn), arsen, żelazo (Fe)

Oddziaływanie toksyczne:

- Działanie na nerwoprzekaźniki

- Blokowanie enzymów

- Łatwo przechodzą w wiązania metaloorganiczne

- Wyższe stężenia atakują wątrobę i nerki

Fe- aktywator procesów chemicznych

- brak powoduje niedokrwistość (zły transport tlenu), ociężałość psychiczną, ociężałość fizyczną( mała aktywność, niedotlenienie-mogące prowadzić do niedotlenienia mózgu-bezpowrotne zniszczenie komórek)

Pb- zdolność kumulowania się w organiżmie ludzkim (wątrobie, nerkach, kościach,centralnym układzie nerwowy

Hg-jeden z największych współczynników kumulacji w org, żywym

stopien toksycznosci metali ciezkich jest rozny, wyraza sie za pomoca LD50

Zanieczyszczenia wód syntetycznymi związkami organicznymi
A) fenole i garabiki- znaczna ilość fenoli występują w żywicach naturalnych i ropie naftowej. Fenole w wodach naturalnych mogą być pochodzenia natu lub ze ścieków miejskich. Woda zawierająca fenole i poddawana chlorowaniu ma odrażający zapach na skutek tworzenia się chloropodobnych fenoli. Garbniki dostają się do wód z rozkładu roślin oraz ściekami przemysłu garbarskiego, zakładów obróbki drewna.

B) policykliczne węglowodory aromatyczne- mają co najmniej dwa pierścienie z dwoma atomami węgla wspólnymi dla obu pierścieni. Obecność tych związków stwierdzono m.in. w smole węgla kamiennego, ropie naftowej, sadzach, dymach przemysłowych. Najczęstszymi źródłami tych związków są: pyły i sadze opadające z powietrza, drogi smołowe i asfaltowe, przem węglowy i naftowy. Związki te są słabo rozpuszczalne w wodzie, ale mogą też tworzyć z wodą emulsję.

C) związki powierzchniowo czynne (tenzydy)- należą do nich mydła, syntetyczne związki powierzchniowo czynne. Zwiększenie produkcji i zużycia tych ostatnich w gospodarstwach domowych, przemyśle i rolnictwie powoduje przedostanie się do wód nat i ścieków tych sub. Związki powierzchniowe czynne w ściekach i wodach nat są przyczyną powstawania piany. Tworzą one emulsje tłuszczów i olejów, działają toksycznie na organizmy wodne oraz utrudniają oczyszczanie.

Uboczne produkty dezynfekcji wody
A) uboczne produkty chlorowania wody chlorem gazowym

Powszechnie znane efekty towarzyszące procesowi chlorowania wody to jej nieprzyjemny smak i zapach. Podczas reakcji chloru ze związkami organicznymi mogą powstawać liczne produkty dezynfekcji, a wiele z nich w nadmiernej ilości nie jest obojętnych dla zdrowia człowieka. Najlepiej poznaną grupą ubocznych produktów chlorowania są trihalometany (THM). Przy ich tworzeniu powstaje również szereg innych związków chloroorganicznych (np. chlorofenole), co wpływa znacząco na pogorszenie właściwości organoleptycznych wody. Im gorsza jest jakość wody poddawanej chlorowaniu, tym więcej może powstawać szkodliwych trihalometanów.  

B) Uboczne produkty chlorowania dwutlenku chloru

Ten sposób dezynfekcji pozwala wyeliminować, tworzenie się szkodliwych trihalometanów.

Wadą stosowania dwutlenku chloru jest niebezpieczeństwo powstawania chloranów i chlorynów. Ich znaczenie zdrowotne nie jest w pełni wyjaśnione, lecz podejrzewa się, że związki te jako silne utleniacze mogą powodować zmiany we krwi.

C) Uboczne produkty ozonowania

Ozon jest zarówno bardzo silnym utleniaczem, jak i dezynfekantem.

Proces ozonowania wód jest przyczyną utleniania jednego z naturalnych ich składników, tj. bromków, w wyniku czego powstają bromiany. Na podstawie badań toksykologicznych zostały one zakwalifikowane do potencjalnych kancerogenów, czyli do związków zwiększających ryzyko zachorowania na raka.

Zjawiska związane ze zmianą gęstości wody.

zmiany gestosci wody zwiazane sa ze zmiana temp. podczas oziebienia gestosc sie zwieksza, ale tylko do temp. ok 277,14 K Dalsze oziebianie powoduje zmniejszanie gestosci w sposob ciagly. w 273,16 podczas krzepniecia gestosc zmniejsza sie w sposob nieciagly do do wartosci gestosci lodu. zwiekszanie gestosci podczas topn-rozpad przestrzennej budowy na mniejsze asocjaty, 85%-wiaz, wodorowych zachowanych, ich rozpad- wzrasta gest. ochladzajaca sie woda opada na dno- warstwy cieplejsze do gory- temp. w calym zbirniku do 277,14K Spadek temp warstw głębszych jest od tej chwili wyłącznie następstwem przewodnictwa cieplnego,a nie ruchu cieczy spowodowanym różnicą temperatur, odbywa się zatem wielokrotnie wolniej.gorna warstwa zamarza 273,16K-lod lzejszy od wody-zostaje na gorze-utrudnienie wymiany cieplnej. w glebi zbiornika temp wyzsza niz 0-zyja organizmy.sezonowa cyrkulacja wody- lato-gorna warstwa ponad 277,14K (slonce),7-12m-skok termicznynagly spadek temp. w glebi 277,14K. w zimie-odwrocenie –pod lodem-273,16K wglab-wzrasta-dno-277,14K...wiosna, jesien-narzewanie, oziebianie-wyrown.temp.-wymieszanie-tlen dla dna

Wykres fazowy wody, zjawiska związane z przejściami fazowymi.

 

Krzywa parowania cieczy AB określa prężnośc pary nasyconej w zależności od temperatury cieczy. Powyżej tej krzywej znajduje się obszar cieczy, a poniżej obszar pary. Krzywa parowania zaczyna się w punkcie A, odpowiadającym przejściu cieczy w ciało stałe, a konczy się w punkcie B, odpowiadającym temperaturze krytycznej. W stanie krytycznym następuje zrównanie gęstości obydwu faz. Napięcie powierzchniowe cieczy maleje do zera, w wyniku czego menisk cieczy zanika. W stanie krytycznym zacierają się więc róznice między fazą ciekła i gazową, a swobodna powierzchnia cieczy przestaje istnieć.

Dla wody temperatura krytyczna wynosi 647K. Prężnośc pary istniejąca w tej temperaturze,tj ciśnienie krytyczne wynosi 221293hPa, a gęstość 0,323g/cm3

Równowaga weglanowo-wapniowa

W wodach naturalnych wystepuje wodoroweglan wapnia,znajduje sie on w rownowadze z weglanem wapnia

Ca(HCO₃)₂=CaCO₃+H₂O+CO₂

Warunkiem istnienia rownowagi miedzy tymi zwiazkami jest dostatecznie duza ilosc wolnego dwutlenku wegla, ktora utrzymuje rownowage miedzy rozpuszczalna i nierozp. postacia Ca(HCO₃)₂ czyli hamuje wytracania sie wegla wapnia w wodzie Ten dwutlenek wegla nazywany jest przynaleznym lub dwutl. wegla rownowagi weglan-wapn.

Jeśli ubędzie przynależnego dwutl. węgla w wodzie będzie sie wytrącał osad weglanu wapnia CaCO₃ ⇓

w zależności od pH wody CO2 może występować w rożnych postaciach: gaz, jon wodoroweglanowy, jon weglanowy

CO2 w wodach naturalnych może istnieć w rożnych postaciach

pochodzenie

• z powietrza atmosferycznego

• z procesow mineralizacji zw.org

• z procesow metabolicznych. org.wodnych

• z procesow geochemicznych

zmniejszanie zawartosci:

• uwalnianie do atmosfery

• rozpuszcanie skal weglanowych

• zużywany w procesie fotosyntezy

Zasadowość – to zdolność wody do zobojętniania dodawanych do niej mocnych kwasów wobec umownych wskaźników. Właściwość tę nadają wodzie obecne w niej węglany, wodorowęglany i wodorotlenki oraz występujące w mniejszych stężeniach krzemiany, borany, fosforany, amoniak, zasadowe związki organiczne, sole hydrolizujące z odczynem zasadowym. Różnica pomiędzy zasadowością a twardością ogólną nazywa się zasadowością alkaliczną i spowodowana jest przez kwaśne węglany lub węglany potasowe i sodowe. Rozróżnia się:

· zasadowość mineralną - jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów wodorotlenowych i węglanowych, oznaczanym przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH = 8,3 wobec fenoloftaleiny lub potencjometrycznie,

· zasadowość ogólną - jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów węglanowych, wodorowęglanowych, wodorotlenowych i innych anionów pochodzących z dysocjacji soli słabych kwasów i mocnych zasad, oznaczanym przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH = 4,5 wobec oranżu metylowego lub potencjometrycznie.

Twardość (Tw) – jest cechą wody, będącą funkcją stężenia soli wapnia, magnezu i innych metali, które są zdolne do tworzenia soli na wyższym niż pierwszy stopniu utlenienia.

Twardość węglanowa (przemijająca, Tw_w, KH) - jest wywoływana głównie przez wodorowęglany: wapniowy Ca(HCO₃)₂ oraz magnezowy Mg(HCO₃)₂. Ten typ twardości można łatwo usunąć przez zagotowanie wody, ponieważ pod wpływem ogrzewania wody wodorowęglany rozkładają się do nierozpuszczalnych węglanów tworzących kamień kotłowniczy:

Twardość niewęglanowa (trwała, Tw_n) - jest wywoływana głównie przez sole wapnia i magnezu, najczęściej są to siarczany (dające trudny do usunięcia kamień gipsowy (np. CaSO₄)) azotany oraz chlorki. Sole te mogą być naturalnie obecne w wodzie jak i powstawać wtórnie, np. w trakcie jej gotowania.

Twardość ogólna (całkowita, Tw_o, GH) – to suma twardości węglanowej i niewęglanowej wody. Na ogół twardość ogólna jest większa od twardości węglanowej. Jednak w przypadku testów wykorzystywanych w akwarystyce, często bywa odwrotnie. Jest to spowodowane tym, iż odczynniki te nie mierzą jedynie twardości węglanowej jako takiej (czyli stężenia wodorowęglanów wapnia i magnezu), ale stężenie wszystkich węglanów i wodorowęglanów, łącznie z sodowymi i potasowymi. Stąd też pojawia się wynik pozornie wyższej wartości Tw_w nad Tw_o.

Twardość wody ma bardzo silny wpływ na jej napięcie powierzchniowe. Czym większe napięcie powierzchniowe wody, tym trudniej zwilża ona wszelkie powierzchnie, na skutek czego trudno jest przy jej pomocy np. prać. Dodatek detergentów (związków powierzchniowo czynnych) powoduje zmniejszenie twardości wody.

struktura lodu

W przypadku lodu cząsteczki są umiejscowione sztywno w węzłach sieci krystalicznej i zdole sa jedynie do wytwarzania ruchów drgających i ewentualnej wędrówki po defektach sieci krystalicznej. Lód jest typowym kryształem molekularnym, gdzie czasteczka wody zachowuje swoja indywidualnosc.w krysztale lodu kazdy atom tlenu otoczony jest tetraedrycznie 4 innymi atomami tlenu, rozlozonymi w jednakowej odleglosci od atomu centralnego. Struktura lodu ma znaczne luki przestarzenne. podczas topnienia lodu czasteczki wody przenikaja do luk strukturalnych i tworza uklad bardziej scisly.

Zjawiska związane z przejściami fazowymi

Parowanie-przejście wody ciekłej w parę, jeśli zjawisko odbywa się na powierzchni swobodnej cieczy.

Wrzenie-przejście wody ciekłej w parę,jeśli zjawisko to zachodzi w całej masie cieczy

Sublimacja-przemiana lodu w parę

Skraplanie-przemiana pary w wodę (kondensacja)

Krzepnięcie (krystalizacja)-przejście wody ciekłej w lód;

Wszystkim przemianom fizycznym towarzyszy pochłanianie lub wydzielanie ciepła, zależnie od kierunku przemiany

ubytek energi; gaz (ciepło skraplania)-ciecz (ciepło krzepnięcia)-ciało stałe wzrost energii; ciało stałe (ciepło topnienia)-ciecz ( ciepło parowania)-gaz