1. Rola wody w tworzeniu klimatu ziemskiego.

Klimat i pogodę na Ziemi kształtują trzy podstawowe procesy klimatotwórcze: obieg ciepła, obieg wody i krążenie powietrza, a także czynniki geograficzne: układ lądów i oceanów, wysokość n.p.m. i odległość od morza (oceanu). Klimat to przebieg zjawisk pogodowych na danym obszarze w okresie wieloletnim (ok. 30 lat).

Następuje cyrkulacja pary wodnej, pochodzącej z wyparowywania powierzchni Ziemi. Kiedy warunki atmosferyczne umożliwiają unoszenie się ciepłego i wilgotnego powietrza, następuje kondensacja (sublimacja lub skraplanie) pary. Wskutek tego, powstają chmury i woda spada na powierzchnię jako opad atmosferyczny. Większość wody transportowana jest na niższe wysokości przez systemy rzeczne, przeważnie powracając do oceanów lub osiadając w jeziorach. Ten cykl hydrologiczny to kluczowy mechanizm zapewniający życie na lądzie oraz główny czynnik erozji powierzchni. Ilość opadów waha się w poszczególnych rejonach, od poniżej milimetra na rok do kilku metrów na rok. Jest to uwarunkowane cyrkulacją atmosferyczną, cechami topograficznymi i temperaturą.

2. Ziemski cykl hydrologiczny.

Naturalny obieg wody na Ziemi. Obejmuje on procesy zachodzące zarówno w atmosferze takie jak: parowanie, kondensacja, opady, transport wilgoci; biosferze: pobieranie wody i jej oddawanie w procesie oddychania czyli transpiracji, jak i w litosferze: wsiąkanie, spływ podziemny i powierzchniowy. W cyklu hydrologicznym wyróżnia się obieg duży i mały.

Tylko część wody na kuli ziemskiej podlega cyklowi hydrologicznemu. Znaczne jej ilości są okresowo (w skali procesów geologicznych) wyłączone z obiegu (retencja). Do wody wyłączonej z obiegu zalicza się:

• lodowce i pokrywy śnieżno-lodowe - zwłaszcza na biegunach

• wodę głębinową w jeziorach, morzach i oceanach

• głębinowe wody podziemne

3. Zasoby wodne Polski.

Woda na Ziemi występuje w postaci:

• ciekłej - w morzach i oceanach oraz na lądach, jako wody powierzchniowe: rzeczne, jeziorne oraz podziemne

• stałej - kryształki lodu w atmosferze, śnieg, lodowce, wieloletnia zmarzlina

• gazowej - para wodna w atmosferze i glebie

Woda ta znajduje się w ciągłym ruchu. W ciągu roku:

• z oceanów paruje ok. 383 000 km³ wody (warstwa wody o grubości około 1m)

• na powierzchnię oceanów spada ok. 347 000 km³ wody

• z lądów paruje ok. 63 000 km³ wody

• na powierzchnię lądów spada ok. 99 000 km³ wody

• z lądów do morza spływa ok. 36 000 km³ wody.

Ilość wody znajdującej się w powierzchniowej warstwie Ziemi poza wodą zawartą w skałach szacuje się następująco:

Rodzaj	Procent wód bez oceanicznych	Objętość w km^3
Lodowce i lód polarny	75	29x10^6
Wody gruntowe	24.6	4.2x10^6
Jeziora	0.3	12x10^4
Wilgoć w glebie	0.06	24x10^3
Wilgoć atmosferyczna	0.035	13x10^3
Rzeki	0.03	12x10^3
Suma wód nieoceanicznych	100	39x10^6
Oceany		135x10^7

Najwięcej wody gromadzą oceany (97,2%), jest to jednak woda słona. Woda słodka, niezbędna do życia dla człowieka i większości organizmów lądowych stanowi zaledwie 2,5% objętości hydrosfery, obliczanej na około 1,4 mld km³. Większość (około 80%) wody słodkiej jest uwięziona w lodowcach lub pod powierzchnią Ziemi, jako wody podziemne. Najłatwiej dostępnym źródłem wody słodkiej są rzeki i jeziora.

4. Budowa cząsteczki wody, moment dipolowy, wiązania wodorowe.

Budowa cząsteczki wody:

W cząsteczce wody następuje przesunięcie elektronów w stronę atomu tlenu. Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tak zwane wiązanie wodorowe. Mówimy, że cząstka wody jest polarna, czyli tworzy dipol.

Moment dipolowy:

Moment dipol występuje w cząsteczkach w przypadku nierównomiernego rozmieszczenia ładunku dodatniego i ujemnego w cząsteczkach. Są to tzw. cząsteczki polarne czyli biegunowe. Wielkość momentu dipolowego określa iloczyn ładunku i odległości między biegunami w cząsteczce dwubiegunowej:

m=e*l

gdzie: m - moment dipolowy
e - wielkość ładunku
l - odległość między biegunami dipolu

Wartość momentu dipolowego cząsteczek stanowi ważną informację o ich strukturze np.: moment dipolowy wody stanowi jeden z dowodów jej kątowej struktury, natomiast zerowy moment CO₂ świadczy, że cząsteczka ma budowę liniową. Wartość momentu dipolowego pozwala w prosty sposób oszacować w jakim stopniu wiązanie łączące dwa atomy jest wiązaniem jonowym.

Wiązania wodorowe:

wiązanie wytworzone pomiędzy atomem wodoru, połączonym kowalencyjnie z atomem X, a atomem Y, posiadającym swobodną parę elektronów i należącym zazwyczaj do innej cząsteczki. Oba atomy, X i Y, muszą odznaczać się dużą elektroujemnością (np. X=O, N, C, Y=O, N, F).
Energia wiązań wodorowych jest na ogół wyższa od energii oddziaływań van der Waalsa, lecz jednocześnie kilkakrotnie niższa od energii typowych wiązań kowalencyjnych. Obecność wiązań wodorowych modyfikuje własności fizykochemiczne substancji - wzrastają np. temperatury topnienia i wrzenia, rośnie przenikalność elektryczna.
Przykłady substancji, w których występują wiązania wodorowe: woda (ciecz, lód), kwasy karboksylowe, KHF₂, ciekły NH₃, białka.

Jakkolwiek wszystkie wiązania wodorowe są znacznie słabsze od wiązań kowalencyjnych dzieli się je na słabe, silne i bardzo silne. Granica między słabszymi i silniejszymi wiązaniami wodorowymi jest dość umowna. Na ogół przyjmuje się, że silnie wiązanie wodorowe to takie, które posiada energię powyżej 4 kcal/mol, zaś pozostałe są słabe. Najsilniejsze znane wiązania wodorowe posiadają energię zbliżoną do słabszych wiązań kowalencyjnych - rzędu 40 kcal/mol. Bardzo silne wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy niezwykle aktywnymi donorami i akceptorami, często tworząc wewnątrzmolekularne wiązania wodorowe. Istnieje również podział na wiązania wodorowe konwencjonalne i niekonwencjonalne. Jeszcze inny podział związany jest z strukturą wiązań wodorowych. Według niego wyróżniamy wiązania dwucentrowe (liniowe), trzycentrowe (dwuakceptorowe), czterocentrowe, zwane również chylatowymi.

5. Stany skupienia wody, struktura wody ciekłej, pary, lodu.

Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub snieg), a także gazem (para wodna).Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny.Rozróżnia się następujące przejścia fazowe wody :

* ze stanu stałego⇒ w ciekły - topnienie
* ze stanu ciekłego⇒ w stały - krzepnięcie
* ze stanu ciekłego⇒ w gazowy - parowanie
* ze stanu gazowego⇒ w ciekły - skraplanie
* ze stanu stałego⇒ w gazowy - sublimacja
* ze stanu gazowego⇒ w stały - resublimacja

Struktura wody w fazie ciekłej jest czymś pośrednim pomiędzy strukturą lodu i pary wodnej. W temperaturach bliskich temperatury wrzenia cząsteczki wody zachowują się podobnie do cząsteczek pary wodnej; ich ruchy są bezwładne. W temperaturach zbliżonych do temperatury krzepnięcia poszczególne cząsteczki gromadzą się w zbiory (asocjaty) przyjmując strukturę zbliżoną do struktury lodu. Jednak w każdej temperaturze (pomiędzy t_krzepnięcia a t_wrzenia) oddziaływania międzycząsteczkowe są słabsze niż w ciele stałym, lecz silniejsze niż w gazie.

Cząsteczki wody w fazie stałej zajmują określone pozycje w strukturze krystalicznej. Ich ruchy ograniczają się do drgań wokół pewnych położeń równowagi.

6. Wykres fazowy wody, zjawiska związane z przejściami fazowymi.

Dla różnych faz pozostających w stanie równowagi - zależność składu danej fazy od składu innej fazy; wykres taki zawiera informację na temat obszarów współistnienia, gdzie istnieją jednocześnie różne fazy.

Przykłady wykresów fazowych:

• wykres zależności składu pary od składu cieczy stosowany przy analizie destylacji

- krzywe składu pary i cieczy dla ustalonej temperatury

- krzywe składu pary i cieczy dla ustalonego ciśnienia

• wykres fazowy dla czystych substancji - zawiera z reguły przynajmniej trzy krzywe współistnienia (linie równowagi) faz (ciecz-para, ciecz-ciało stałe, ciało stałe-para), punkt potrójny (punkt współistnienia pary, cieczy i ciała stałego) oraz punkt krytyczny (punkt końcowy krzywej współistnienia cieczy i pary)

• wykres zależności składu od temperatury dla dwóch cieczy o ograniczonej mieszalności (może zawierać dolną i górną temperaturę krytyczną)

Zielona linia przedstawia krzywą topnienia, niebieska krzywą parowania a czerwona krzywą sublimacji.

7. Właściwości fizyczne wody: stała dielektryczna, gęstość, ciepło właściwe, przewodnictwo cieplne, napięcie powierzchniowe, konduktywność, absorpcja promieniowania świetlnego.

Stała dielektryczna - wielkość fizyczna, oznaczana grecką literą ε (epsilon), charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska. Dla substancji izotropowych jest to wielkość skalarna, równa stosunkowi indukcji pola elektrycznego do natężenia tego pola:

W ciałach anizotropowych przenikalność jest tensorem drugiego rzędu (drugiej rangi).

Wymiarem przenikalności elektrycznej w układzie SI jest F·m^-1 (farad na metr).

Stała dielektryczna wody jest zależna od temperatury i wynosi 87,9 w temperaturze 0⁰C, a w temperaturze 25⁰C ma wartość 78,4.

Gęstość (masa właściwa) - masa jednostki objętości, dla substancji jednorodnych określana jako stosunek masy m do objętości V:

Dla substancji niejednorodnych zależy od punktu substancji i określana wówczas jako granica stosunku masy do objętości, gdy objętość obejmuje coraz mniejsze objętości obejmujące punkt:

gdzie m oznacza masę ciała (jako funkcję objętości), zaś V jego objętość.

Jednostki gęstości: kilogram na metr sześcienny - kg/m³ (w SI), kg/l, g/cm³ (CGS).

Gęstość jest cechą charakterystyczną substancji, a w określonych warunkach standardowych stanowi jedną z najważniejszych cech substancji - służy do obliczania masy i ciężaru określonej objętości substancji. Dla substancji jednorodnej zachodzi

,

a dla ciał niejednorodnych

.

Areometry wypełnione cieczą o znanej gęstości mogą służyć do wyznaczania gęstości innych cieczy.

Gęstość większości substancji zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (jednym z wyjątków jest woda w temperaturze poniżej 4°C). Zjawisko to wynika z rozszerzalności cieplnej ciał. Podczas przemian fazowych gęstość zmienia się skokowo (w temperaturze przemiany), podczas krzepnięcia zazwyczaj wzrasta (najbardziej znanymi wyjątkami są woda, żeliwo, a z pierwiastków bizmut, gal i german).

Ciepło właściwe - energia podnosząca temperaturę ciała o jednostkowej masie o jednostkę temperatury.

W układzie SI ciepło właściwe podaje się w dżulach na kilogram razy kelwin

Ciepło właściwe jest to wielkość, która charakteryzuje każdą substancję pod względem energetycznym.

Ciepło właściwe ciał stałych i cieczy jest niezmienną cechą zależną tylko od struktury chemicznej tych ciał i nie zależy od ich kształtu i rozmiarów. Ciepło właściwe większości substancji zmienia się jednak nieznacznie ze zmianami temperatury nawet w obrębie jednego stanu skupienia.

Przewodność cieplna, inaczej współczynnik przewodnictwa ciepła, określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej. Dla ciała o kształcie prostopadłościanu (np.pręta) przewodzącego ciepło w warunkach stanu stabilnego ilość przekazanego ciepła jest zależna od substancji, proporcjonalna do przekroju ciała, różnicy temperatur oraz czasu przepływu ciepła:

Z powyższego wynika:

Gdzie:

k - współczynnik przewodnictwa cieplnego,

ΔQ - ilość ciepła przepływającego przez ciało,

Δt - czas przepływu,

L - długość ciała (pręta),

S - pole przekroju poprzecznego ciała (pręta),

ΔT - różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła.

Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła w układzie SI - J/(m s K) = W m^-1 K^-1 (wat na metr kelwin).

Przewodność cieplna jest wielkością charakterystyczną substancji w danym stanie skupienia i jego fazie. Dla substancji niejednorodnych jest zależna od ich budowy, porowatości itp. Dla małych zakresów temperatur w technice przyjmuje się, że przewodność cieplna nie zależy od temperatury. W rzeczywistości przewodność cieplna zależy od temperatury. Substancjami najlepiej przewodzącymi ciepło są metale, najsłabiej gazy.

Napięcie powierzchniowe - zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją (dla powierzchni wypukłej przyciągający do wnętrza cieczy, dla wklęsłej odwrotnie). Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym.

Efektem napięcia powierzchniowego jest np. utrudnione zanurzanie w cieczy ciał niepodatnych na zwilżanie tą cieczą (znika ono w momencie całkowitego zanurzenia takiego ciała). Innym zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest podnoszenie się (np. woda) lub opadanie (np. rtęć) cieczy w wąskich rurkach, tzw. kapilarach - zjawisko to należy do zjawisk kapilarnych.

Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz A-B.

Konduktywność (przewodnictwo właściwe, przewodność elektryczna właściwa) to miara zdolności materiału do przewodzenia prądu elektrycznego.

Przewodnictwo właściwe jest zazwyczaj oznaczane σ (mała grecka litera sigma).

Odwrotnością przewodnictwa właściwego jest opór właściwy.

Przewodnictwo właściwe materiału wyznaczyć można znając wymiary geometryczne i przewodnictwo elektryczne jednorodnego bloku danego materiału:

,

gdzie: G - przewodnictwo elektryczne, S - pole przekroju poprzecznego elementu, l - długość bloku.

Jednostką przewodnictwa właściwego w układzie SI jest simens na metr (1 S/m)

woda morska 5

woda pitna 0,05

czysta woda 5·10^-6

Absorpcja promieniowania, pochłanianie energii fal (elektromagnetycznych, akustycznych, promieniowania korpuskularnego) w układach materialnych. Dla różnych rodzajów promieniowania mechanizm absorpcji jest odmienny. W wielu przypadkach absorpcja ma charakter rezonansowy.

8. Gęstość wody i zjawiska z nią związane.

Gęstość wody

Gęstość to parametr, który charakteryzuje "upakowanie" materii w danym ciele. Definiujemy ją jako stosunek masy ciała do zajmowanej przez nie objętości w określonej temperaturze. Ciała stałe mają większą gęstość niż ciecze i gazy. Wraz ze wzrostem temperatury gęstość zazwyczaj maleje. Czysta woda jest wyjątkiem od tej reguły. To jedyna substancja, która osiąga najwyższą gęstość w postaci cieczy. Woda ma bowiem największą gęstość przy temperaturze 4°C. Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody sprawiają, że lód ma bardzo trwałą, uporządkowaną strukturę. W niskich temperaturach woda ma większą gęstość niż lód i dlatego lód pływa w wodzie.  

Dodanie soli do wody powoduje wzrost jej gęstości. Ponadto uniemożliwia tworzenie się wiązań wodorowych. Oznacza to, że woda morska, w przeciwieństwie do czystej wody, nie osiąga największej gęstości w temperaturze 4°C, lecz gdy zamienia się w lód. Oznacza to także, że woda morska zamarza w temperaturze poniżej 0°C. Wykorzystujemy to zimą sypiąc sól na drogi aby zapobiec ich oblodzeniu.

Gęstość wody jest związana ze zmianami temperatury.

Gęstość zwiększa się podczas oziębienia do temp. Około 277,14 K. W tej temperaturze gęstość wody jest największa i wynosi 0,999972+/- 0,000002 kg * m3.Dalsze oziębienie powoduje, że gęstość wody maleje w sposób ciągły; w temperaturze 273,16K, podczas krzepnięcia gęstość zmniejsza się w sposób nieciągły do wartości gęstości lodu.

Zwiększenie gęstości wody podczas topnienia lodu jest wynikiem szybkiego rozpadu jego przestrzennej budowy na mniejsze asocjaty, w których około 85% wiązań wodorowych między cząsteczkami H2O zostaje jeszcze zachowanych w wodzie po stopieniu lodu. Stopniowy rozpad tych luźnych struktur i asocjatów uwarunkowanych wiązaniami wodorowymi powoduje, że gęstość ciekłej wody podczas ogrzewania jej od temperatury topnienia do 277,14K wzrasta, aby następnie ze wzrostem temperatury według ogólnych zasad dylatacji- maleć.

Zjawiska związane z gęstością wody

Cyrkulacja wody

W okresie zimy pod wodą istnieje możliwość życia organizmów. Ochładzająca się jesienią woda opada na dno, wypierając cieplejsze warstwy ku górze, Az temperatura w całym zbiorniku osiągnie 277,14K. Wtedy ruch spowodowany zmianą temperatury ustaje.

Kolejnym etapem jest przewodnictwo cieplne i konwekcja , aż górna warstwa zamarza i tworzy taflę lodu na powierzchni gdyż jego gęstość jest mniejsza niż gęstość wody. Utrudnia to w jeszcze większym stopniu wyśmiane cieplną. W głębokich jeziorach i stawach następuje sezonowa cyrkulacja wody. W krajach umiarkowanych tworzą się warstwy wody o różnej temperaturze. Latem wyższa temperatura panuje przy tafli, natomiast zima obserwujemy odwrócone „uwarstwienie” (stratyfikację) i najniższa temperatura jest pod lodem.

Tylko dwa razy w roku kiedy w górnych warstwach zachodzi nagrzewanie się albo oziębianie, następuje wyrównanie się temperatur całej masy wody, spowodowane całkowitym jej wymieszaniem. Ma to ogromne znaczenie w natlenianiu wody jezior.

10. PROCES WZBOGACANIA WÓD W SKŁADNIKI MINERALNE: SKŁAD CHEMICZNY I STRUKTURA MINARAŁÓW, SKŁAD FIZYCZNO - CHEMICZNY GLEBY, PROCESY WIETRZENIA.

1. Procesy wietrzenia:

Wietrzenie - procesem rozpadu i rozkładu skały, którego wynikiem jest zwietrzelina.Jest związany z ruchami powietrza, wód, lodowców, z życiem organicznym i działalnością człowieka, a także z działalnością energii słonecznej. W wyniku wietrzenia dochodzi do rozluźnienia materiału skalnego i w efekcie jego rozdrobnienia.
Tempo wietrzenia zależy od:

• rodzaju skał,

• ilości wody,

• wilgotności powietrza,

• typu klimatu,

• szaty roślinnej.

Wyróżnia się kilka rodzajów wietrzenia:

• mechaniczne,

• chemiczne

• i biologiczne

Mechaniczne wietrzenie (fizyczne) - polega na rozdrabnianiu skały bez zmiany jej składu chemicznego.
Zachodzi pod wpływem:
- nierównomiernego rozszerzania się i kurczenia się minerałów podczas nagrzewania bądź oziębiania skały. Jest to tzw. wietrzenie insolacyjne, będące efektem różnych współczynników rozszerzalności termicznej minerałów, lub wietrzenie eksfoliacyjne, w przypadku skał jednorodnych, gdzie warstwa przypowierzchniowa nagrzewa się szybciej i dochodzi do jej łuszczenia równolegle do powierzchni;
- wody, a szczególnie wilgoci, która wnika w mikroskopowe zluźnienia między kryształami, a następnie bardzo duża cieplna rozszerzalność wody powoduje rozsypywanie się skały na bloki, gruz i ziarna.
- soli, zwłaszcza w klimacie suchym, gdzie parująca woda osadza w szczelinach skalnych sole i tlenki metali, które krystalizując, rozsadzają skały. Proces ten nazywany jest eskudacją.
- mechanicznej działalności roślin (rozrastające się korzenie) i zwierząt (kretów, gryzoni i zwierząt kopytnych).
Wietrzenie chemiczne - polega na zmianie składu mineralnego skały, czyli doprowadza do jej rozkładu, czyli:
- rozpuszczenia (solucji), czyli rozpuszczaniu minerałów pod wpływem wody.
- utlenienia (oksydacji
- uwodnienia (hydratacji), łączenia się niektórych minerałów z wodą.
- uwęglanowienia (karbonatyzacji), polegającego na rozpuszczaniu i wypieraniu przez wodę zawierającą dwutlenek węgla węglanów wapnia, magnezu i żelaza, a także rozkładaniu krzemianów i glinokrzemianów, i przechodzeniu ich w węglany.
 Wietrzenie biologiczne - polega na mechanicznym i chemicznym niszczeniu skał, ponieważ wzrost korzeni powoduje rozszerzanie się szczelin skalnych i pękanie skał, a substancje chemiczne i kwasy organiczne wydzielane przez rośliny, rozpuszczają i rozkładają skały. Również podziemne zwierzęta ryjące przyczyniają się do tego typu wietrzenia. Najszybciej porastają skały glony i porosty, które jako pierwsze wzmagają proces wietrzenia biologicznego.

.

2. Skład fizyczno - chemiczny gleby.

98% składu chemicznego gleby to:

• tlen,

• krzem,

• glin,

• żelazo,

• wapń,

• sód,

• magnez,

• potas,

• wodór.

Pozostałe 2 % to:

• tytan,

• węgiel,

• chlor,

• fosfor,

• siarka,

• mangan.

Skład mechaniczny gleby, skład fizyczny gleby - wyrażona w procentach wagowych zawartość poszczególnych ugrupowań elementarnych cząstek glebowych, określonych na podstawie ich średnic (frakcji granulometrycznych): frakcje grubsze (∅>1 mm), zwane szkieletem glebowym, frakcje drobne (∅<1 mm), czyli części ziemiste.
Na podstawie udziału poszczególnych frakcji wyróżnia się grupy mechaniczne gleb: utwory kamieniste, żwiry, piaski, gliny, utwory pyłowe i iły.

 

3. Skład chemiczny i struktura minerałów.

• Plagioklazy- to szereg minerałów skałotwórczych o składzie mieszanym z grupy skaleni (skalenie sodowo-potasowe).

• Biotyt - K(Mg, Fe)₃(OH, F)₂AlSi₃O₁₀ minerał z gromady krzemianów, tworzy kryształy tabliczkowe i krótkosłupkowe. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, blaszkowych i łuskowych. Zawiera domieszki: tytanu, sodu, litu, baru, strontu, cezu, manganu.

• Kalcyt - CaCO₃ minerał z gromady węglanów. Tworzy kryształy izomeryczne, tabliczkowe, słupkowe, igiełkowe.

• gips - CaSO₄*2H₂0, tworzy kryształy o pokroju tabliczkowym, słupkowym, igiełkowym. Niektóre z nich charakteryzują się podłużnym prążkowaniem. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, grubokrystalicznych łuskowych, rozetowych, włóknistych i proszkowych.

• anhydryt - CaSO₄ ,układ rombowy.

• fluoryt - CaF₂, sześcienne lub ośmiościenne kryształy.

• karnalit -KCl * MgCl₂*6H₂O, układ rombowy.

• magnezyt - MgCO₃, występuje w skupieniach ziemistych, zbitych, ziarnistych, nerkowatych bądź włóknistych.

• dolomit - CaCO₃* MgCO₃, tworzy kryształy izometryczne (romboedry siodełkowato wygięte do góry), czasami tabliczkowe lub słupkowe. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych, naskorupień i żyłek.

• magnetyt - Fe₂O₃, tworzy kryształy o pokroju izometrycznym, najczęściej przyjmujące postać ośmiościanu. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych.

• piryt - FeS₂, tworzy kryształy izometryczne przyjmujące najczęściej postać sześcianów, ośmiościanów, skupienie zbite, ziarniste, skorupkowe, kuliste.

• halkopiryt (chalkopiryt) - CuFeS₂, izometryczny, oktaedry i tetraedry często prążkowane, skupienia ziarniste, zbite, masywne, często tworzy bliźniaki.

• manganit - Mn₂O₃* H₂O, kryształy o pokroju słupkowym, igiełkowym, Występuje w skupieniach ziarnistych, pręcikowych, włóknistych, promienistych.

• bornit - Cu₅FeS₄, kryształ izometryczny o postaci sześcianu, ośmiościanu, bądź ich kombinacji. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych.

• blenda cynkowa - ZnS, tworzy kryształy izometryczne, często występują zbliźniaczenia oraz charakterystyczne prążki na ścianach kryształów. Występuje w formie skupień zbitych, ziarnistych, pylastych, nerkowatych, naciekowych i skorupowych.

• galena- galenit, błyszcz ołowiu, siarczek ołowiu(II), PbS,

• cynober HgS, tworzy kryształy tabliczkowe, rzadziej słupkowe.

12. Wodne układy dyspersyjne

Układem dyspersyjnym nazywamy mieszaninę jednorodną lub niejednorodną składająca się z fazy rozproszonej (rozdrobionej) i rozpraszającej, czyli ośrodka dyspersyjnego. Roztwory właściwe są więc układami molekularno- dyspersyjnymi, w których substancja rozproszona w ośrodku dyspersyjnym wykazuje rozdrobnienie molekularne. Poszczególne cząstki bądź jony fazy rozproszonej są od siebie oddzielone za pomocą ośrodka dyspersyjnego. Zależnie od wielkości rozdrobnienia cząstej fazy rozproszonej w cieczy układy dyspersyjne dzielimy na:

• cząsteczkowo dyspergowane (roztwory właściwe)

• koloidowo dyspergowane (roztwory koloidalne)

• grubo dyspergowane (zawiesiny, inaczej niejednorodne mieszaniny mechaniczne)

Roztwór właściwy - zwany też roztworem rzeczywistym to układ, w którym cząstki substancji rozproszonej mają rozmiary mniejsze od 1 nm (nanometr- 10-9 m)

Pojęcie to zostało wprowadzone aby rozróżnić "prawdziwe" roztwory od roztworów koloidalnych takich jak zoli, emulsji, pian itp). Jeśli w roztworze nie występują cząstki większe niż 1 nm to zazwyczaj świadczy to o tym, że mają one rozmiary zbliżone do pojedynczych cząsteczek danego związku chemicznego.

Definicja ta jest poprawna dla związków chemicznych o niezbyt wysokiej masie cząsteczkowej. W przypadku polimerów, mówimy o występowaniu roztworów właściwych w przypadku gdy w mieszaninie pojedyncze cząsteczki polimeru są od siebie dobrze odseparowane tworząc tzw. kłębki statystyczne. Przy bardzo dużej masie cząsteczkowej kłębki te mogą mieć znacznie większe niż 10-9m rozmiary

• Podział ze względu na stan skupienia

Roztwory można podzielić ze względu na ich stan skupienia:

• gazowe (mieszaniny gazów)

• ciekłe

• cieczy w cieczy

• ciała stałego w cieczy

• stałe (kryształy mieszane) - powstają podczas krystalizacji

• Roztwory gazowe

Wszystkie gazy mieszają się bez ograniczeń ilościowych. Zjawisko to wynika z tego, że odległości między cząsteczkami gazów są duże a oddziaływania międzycząsteczkowe bardzo słabe. Przy dużych ciśnieniach, w gazie mogą rozpuszczać się ciecze i ciała stałe, które przy małych ciśnieniach nie parują, przy szczególnie dużych ciśnieniach roztwory w gazach przybierają właściwości zbliżone do roztworów ciekłych - są to tzw. roztwory nadkrytyczne.

• Roztwory cieczy w cieczy

Ciecze nie mieszają się wcale (np. olej i woda), lub jeśli mieszają się, to bez ograniczeń (np. woda i alkohol etylowy) lub w pewnym zakresie. Mieszaniny trzech lub więcej cieczy tworzą często złożone układy fazowe, w których, zależnie od stężenia poszczególnych składników występują momenty, gdy istnieje roztwór jednorodny, gdy powstają dwie fazy, składające się z dwóch różnych roztworów, lub wszystkie trzy składniki całkowicie się rozdzielają. Zachowanie tego typu układów jest często przedstawiane w formie tzw. trójkąta stężeń Gibbsa.

• Roztwory ciał stałych w cieczach

Ich powstawanie jest wynikiem możliwości penetracji ciała stałego przez cząsteczki cieczy oraz powstające w trakcie tego procesu oddziaływania między nimi. Reguły, wg których można w miarę łatwo przewidzieć jaki związek chemiczny rozpuści się w jakim rozpuszczalniku, są opisane w haśle rozpuszczalnik.

Roztwory ciekłe ciał stałych posiadają własność nasycania się, dlatego (w zależności od nasycenia roztworu) rozróżniamy:

• roztwory nienasycone

• roztwory nasycone

• roztwory przesycone

• roztwory stałe

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) - niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek

Rodzaje układów koloidalnych

Wyróżnia się następujące rodzaje układów koloidalnych:

Ośrodek rozpraszający	Substancja rozpraszana	Rodzaj	Przykład
Gaz	Gaz	Gaz	Powietrze - jeden gaz w innych gazach
		Ciecz	aerozol ciekły	mgła
		Ciało stałe	aerozol stały	dym
	Ciecz	Gaz	piana	piana mydlana
		Ciecz	emulsja	lakier do paznokci, mleko, majonez
		Ciało stałe	zol, zawiesina koloidalna (suspensja), roztwór koloidalny	Ag kol w H2O
	Ciało stałe	Gaz	piana stała	pumeks, styropian
		Ciecz	emulsja stała	opal
		Ciało stałe	zol stały (pirozol)	szkło rubinowe

Ciało stałe i ciecz przenikające się wzajemnie to żel.

Nie występują układy koloidalne, w których gaz rozproszony jest w gazie (gazy tworzą wyłącznie roztwory rzeczywiste). Ponadto większość układów koloidalnych nazywana jest zolami, przy czym pojęcie zolu jest niejednoznaczne. Podobnie niejednoznaczne jest pojęcie aerozolu.

Układy koloidalne z fazą ciągłą w postaci gazu to gazozole, natomiast z fazą ciągłą w postaci cieczy to liozole.

METODY OTRZYMYWANIA KOLOIDÓW

W celu uzyskania rozdrobnienia koloidalnego stosowane są dwa rodzaje metod:

Metody dyspersyjne, polegające na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych. Należą tu głównie: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad), rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd.

Metody kondensacyjne, polegające na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda zarodnikowa i inne.

METODY OCZYSZCZANIA KOLOIDÓW

Oczyszczanie koloidów od domieszek substancji tworzących roztwory rzeczywiste (ciała krystaliczne i elektrolity) ma duże znaczenie w zapewnieniu trwałości zolu. Do najczęściej stosowanych do tego celu metod należą: dializa, elektroliza, ultrafiltracja, elektrodekantacja i adsorpcja wymienna na jonitach. Jedną z łatwiejszych metod jest dializa. W celu przeprowadzenia dializy woreczek z błony półprzepuszczalnej (kolodium, celofan lub naturalna błona zwierzęca) napełniamy czystym rozpuszczalnikiem (najczęściej wodą) i umieszczamy w naczyniu z zolem. Substancje o rozdrobnieniu cząsteczkowym przechodzą przez membranę do wewnętrznej cieczy i mogą być w ten sposób usunięte z koloidu. Zmieniając stale ciecz wewnętrzną możemy koloid doprowadzić do żądanej czystości. Tak działające urządzenie do doczyszczania koloidów zwane jest dializatorem. Elektrodializa jest połączeniem dializy z elektrolizą a jej przewaga nad dializą polega głównie na większej szybkości oczyszczania (dializę należy prowadzić co najmniej przez kilkanaście dni, podczas gdy elektrodializa już po upływie 2-3 dni daje czysty zol).

WŁAŚCIWOŚCI UKŁADÓW KOLOIDALNYCH

Właściwości mechaniczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych są ruchy Browna. Zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających, fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna można zaobserwować przypatrując się np. cząstkom kurzu oświetlonym cienką wiązką światła w zaciemnionym pomieszczeniu.

Właściwości optyczne

Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów koloidalnych jest efekt Tyndalla. Polega on na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszczamy wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, mniejszych od długości fali, światło staje się widoczne w postaci smugi świetlnej. Intensywność tego efektu jest tym większa im większa jest różnica między współczynnikami załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Efekt Tyndalla został wykorzystany w konstrukcji ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach koloidów, np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne. Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających rozdrobnieniom koloidalnym możemy obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.

Absorpcja światła. Niektóre układy koloidalne mają silniejszą absorpcję aniżeli rozproszenie światła. Pomiar absorpcji światła jest jedną z metod badania układów koloidalnych, pozwala on na oznaczanie stężenia fazy rozproszonej i na śledzenie przebiegu koagulacji. Barwa układów koloidalnych uwarunkowana jest zarówno przez absorpcję, jak i przez rozproszenie światła. Zależy ona od wielkości, kształtu i stopnia agregacji cząstek fazy rozproszonej. W świetle rozproszonym może być ona inna niż w świetle przechodzącym. Ten sam układ koloidalny może mieć różną barwę w zależności od stopnia rozproszenia.

Właściwości elektryczne. Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne

Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Jeżeli cząstki te są dostatecznie małe, mowa jest o układzie koloidalnym. Gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest na ogół większa niż gęstość fazy rozpraszającej i z tego powodu rozproszone cząstki fazy stałej mają tendencję do sedymentacji (opadania)

Sedymentacja zawiesin w wodzie- proces opadania i odkładania się cząsteczek zanieczyszczeń w wodach m.in w ściekach. W wyniku sedymentacji następuje całkowite rozdzielenie faz lub (w przypadku cząstek niewielkich) wytwarza się stan równowagi zwany równowagą sedymentacyjną. Poziom zanieczyszczeń zmniejsza się w wyniku opadania zawiesin na dno zbiornika. Proces ten występuje najczęściej w zbiornikach wód stojących lub o słabym przepływie wody.

13. Kształtowanie się składu wód od opadowych do podziemnych.

Wody opadowe- atmosferyczne

Powstają w wyniku skraplania się pary wodnej i opadają na ziemię w postaci deszczu, śniegu, gradu itp. Charakter i skład wód opadowych zależy od czystości atmosfery, tj. od rodzaju i ilości domieszek naturalnych oraz zanieczyszczeń przemysłowych zawartych w powietrzu. Skład chemiczny wód opadowych zależy również od wielkości opadów, kierunku wiatru, wysokości chmur i rodzaju opadów. Wody atmosferyczne zawierają znaczne ilości rozpuszczonych gazów, przede wszystkim tlenu, azotu, dwutlenku węgla. Występują w nich także w małych ilościach gazy szlachetne, amoniak, tlenki azotu (z utlenienia azotu podczas wyładowań elektrycznych w atmosferze), rozpuszczone sole (np. chlorek sodu), nierozpuszczalne sole wapnia, magnezu, związki krzemu oraz domieszki mechaniczne (pył mineralny i organiczny, sadza, cząstki roślinne, mikroorganizmy, a wśród nich bakterie chorobotwóórcze itp.). W rejonach zaludnionych i uprzemysłowionych o zanieczyszczonym powietrzu atmosferycznym wody opadowe mogą zawierać domieszki zanieczyszczeń powietrza np. różne odpady produkcyjne, produkty niezupełnego spalania węgla i innych paliw, gazy przemysłowe: CO₂, NH_3, H₂S, tlenki azotu i siarki, metale ciężkie, różne tlenki: As₂O₃, P₂O₅, Fe₂O₃, PbO, ZnO. W wyniku chemizacji rolnictwa w wodach pojawiły się substancje owadobójcze, chwastobójcze i grzybobójcze. Mogą zawierać także pierwiastki radioaktywne pochodzące z wybuchów nuklearnych i termojądrowych. Najczystsze wody opadowe występują w obszarach lesistych i wysokogórskich, najbardziej zanieczyszczone w rejonach uprzemysłowionych i na obszarach suchych. Skład wody atmosferycznej ulega radykalnej zmianie po zetknięciu się jej z powierzchnią ziemi.

Wody podziemne

Powstają wskutek wsiąkania (infiltracji) części wód opadowych i powierzchniowych. Dodatkowym (znikomym) źródłem jest skraplanie się pary wodnej w glebie i kondensacja pary wodnej z magmy. Wody z powierzchni ziemi - opadowe i powierzchniowe- ługują z górnych warstw gleby (która jest naturalnym odbiornikiem wszelkich opadów i nieczystości) różne substancje nieorganiczne (mineralne) i organiczne oraz mikroorganizmy. Z tego powodu skład fizyczno-chemiczny i bakteriologiczny wód spływających po powierzchni gleby jest bardzo zmienny i zależy od wielu czynników, m. in. od czasu kontaktu z glebą, rodzaju gleby, pory roku, ilości i rodzaju wód opadowych, zagospodarowania zlewni, ukształtowania i pokrycia terenu itp. Wody przenikające do ziemi ulegają samooczyszczaniu. W czasie filtracji do gleby i głębszych warstw gruntu woda uwalnia się od zanieczyszczeń mechanicznych oraz pozbywa się koloidalnych i rozpuszczonych substancji organicznych w wyniku zachodzących procesów biochemicznych i sorpcji. Wody opadowe przenikają przez glebę i wyługowują z niej pewna ilość substancji humusowych. Prędkość filtracji w glebie jest bardzo mała, wobec czego procesy samooczyszczania i sorpcji biologicznej zachodzą niemal całkowicie. Dlatego woda podziemna z większych głębokości jest praktycznie pozbawiona substancji organicznych, tlenu rozpuszczonego i mikroorganizmów. Obok wspomnianych wcześniej procesów zachodzi rozpuszczanie różnych składników gleby, gruntu i skał, czemu sprzyja obecność w wodzie rozpuszczonych gazów, np. CO_2, NH₃.Gleba zawiera wiele soli łatwo rozpuszczalnych, które rozpuszczają się w wodzie w czasie jej filtracji przez glebę. W ten sposób do wód podziemnych dostają się chlorki, siarczany i azotany ( z gleby nawożonej nawozami azotowymi i z procesów biochemicznych), jak również małe ilości fluorków, bromków, jodków, fosforanów i innych związków.

Pod wpływem CO₂ woda rozpuszcza minerały proste z których powstają wodorowęglany. W wyniku tych reakcji do wód podziemnych dostają się jony HCO₃^-, Ca₂⁺, Mg₂⁺ itp. Rozpuszczony w wodzie CO₂ ma również zdolność do rozpuszczania siarczków. Wody podziemne zawierające siarkowodór mogą rozpuszczać tlenki żelaza, z których powstają siarczki. Utlenianie siarczków prowadzi do powstania siarczanów. Natomiast siarczany pod działaniem organicznych substancji redukujących w warunkach beztlenowych przechodzą w węglany i wodorowęglany i powstaje siarkowodór. Przenikając przez grunt woda rozkłada hydrolitycznie również krzemiany, glinokrzemiany i żelazokrzemiany, a związki krzemu, glinu i żelaza przechodzą do wody w postaci rozpuszczonej lub koloidalnej. Skład i jakość wód podziemnych zależą od takich czynników, jak: ilość i rodzaj składników wód opadowych i powierzchniowych, które przenikają w głąb ziemi, zanieczyszczenia powierzchni ziemi i górnych warstw gleby oraz właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne samej warstwy gruntu, przez która przesiąka woda. Skład chemiczny wód podziemnych nie jest zatem stały, lecz ulega ciągłym zmianom. Zawierają one znaczne ilości CO_{2 ,} związków żelaza i manganu. Im głębiej przenika woda, tym jej skład jest bardziej ustalony. Wody podziemne w głębszych warstwach wodonośnych są pozbawione tlenu rozpuszczonego, zawierają niewielkie ilości substancji organicznych, a stopień zasolenia zwiększa się na ogół wraz ze zwiększeniem głębokości zalegania warstwy wodonośnej.

Wody mineralne

Wody lecznicze, które zawierają składniki mineralne i gazowe w niemal stałych stężeniach. Właściwości balneologiczne nadają wodom zawarte w nich składniki jonowe, gazowe, radoczynne i podwyższona temperatura. Należą do nich: dwutlenek węgla, siarkowodór, lit stront, żelazo, fluorki, brom, jod, arsen, bor, bar. Wody mineralne zawierają gazy, np. CO₂, H₂S, CH₄, N₂, nie tylko rozpuszczone, lecz również w postaci bardzo drobnych zawiesin oraz wydzielające się w postaci baniek. Obecność wolnego gazu wskazuje na nasycenie wody danym gazem. Największe znaczenie w wodach leczniczych mają dwutlenek węgla i siarkowodór. Dwutlenek węgla jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, a związki węgla występują w dużych ilościach w skorupie ziemskiej, stąd jego zawartość w wodach może być duża. Siarkowodór pochodzi zazwyczaj z redukcji siarczanów, bądź też działalności wulkanicznej. Wody mineralne dzieli się na:

- szczawy alkaliczne, ziemne, żelazisto-ziemne, zawierają bezwodnik kwasu węglowego, sód, wapń, magnez i żelazo.

-solanki- zawierają przede wszystkim jony sodu i chloru

-siarczanowe- zawierają chlorek sodu, siarczany wapnia, magnezu, sodu i siarkowodór.

-siarczkowe- związki siarczków

-ciepliczne

-radonowe

Wody powierzchniowe

Powstają wskutek spływania wód opadowych, podziemnych (źródłowych) i gruntowych do naturalnych i sztucznych zagłębień terenowych. Dzielą się na wody płynące (cieki), do których zaliczamy potoki strumyki i rzeki, oraz wody stojące, jak stawy, jeziora, sztuczne zbiorniki wodne (zaporowe).

Wody rzeczne (cieki)

Skład wód rzecznych jest bardzo zmienny i zależy od wielu czynników: ilości i jakości wód zasilających, klimatu, pory roku, ilości opadów, rodzaju gleby, procesów życiowych organizmów wodnych, ścieków bytowo-gospodarczych odprowadzanych bez wystarczającego oczyszczenia... Nie nadają się do bezpośredniego spożycia w stanie surowym. Skład fizyczno-chemiczny i bakteriologiczny jest różny na całej ich długości, a niekiedy i szerokości. Zmianę składu wody powoduje różny sposób zasilania rzek na poszczególnych odcinkach, składu wód dopływów i procesy jakie przebiegają w korycie rzeki.

W wodach rzecznych występują azotany pochodzące z opadów atmosferycznych, spływów z pastwisk i pól nawożonych związkami azotowymi, czy zanieczyszczeń ściekami z miast. Zawartość azotanów, a także fosforanów w wodzie rzecznej jest mniejsza w okresie letnim, gdyż są one zużywane przez rośliny wodne. Zawartość związków żelaza zmienia się w zależności od sposobu zasilania wody rzecznej. Stężenie żelaza zwiększa się w okresie zimowym, gdy rzeka jest pokryta lodem i zasilana wodami gruntowymi, jak również na wiosnę, gdy rzeki są zasilane wodami pochodzenia błotnego. W lecie zawartość żelaza jest mniejsza, gdyż wyższa temperatura wody, dobre wymieszanie i napowietrzenie sprzyjają utlenianiu żelaza dwuwartościowego do trójwartościowego i wytrącaniu się z roztworu trudno rozpuszczalnego wodorotlenku. Zawartość gazów rozpuszczonych zależy od zmian warunków fizycznych zachodzących w ciągu roku, a zatem od temperatury, intensywności fotosyntezy, sposobu zasilania wody rzecznej oraz ciśnienia cząstkowego danego gazu podczas występowania pokrywy lodowej. Zawartość CO₂ w wodzie zmienia się w przeciwieństwie do zmian zawartości tlenu: w zimie największe stężenie CO₂ i zmniejsza się ono w miarę wzrostu temperatury i rozwojem roślinności. W walce z zanieczyszczeniem wód rzecznych pomocna jest naturalna zdolność do samooczyszczania. Procesy te polegają na utlenianiu tlenem rozpuszczonym w wodzie substancji organicznych na produkty nieorganiczne.

Wody jeziorne

Jeziora są przeważnie zasilane wodami rzecznymi, a skład wody w jeziorze różni się znacznie od składu zasilającej je rzeki. Przyczyną tych różnic jest wolniejszy przepływ wody w jeziorze niż w rzece. Powoduje to znacznie intensywny proces odparowania i wzrost mineralizacji wody jeziornej, wytrącanie osadów i dłuższy kontakt wody z osadami dennymi, co sprzyja wymianie jonowej. Z tego powodu skład wody jest zmienny na różnych głębokościach. Dotyczy to zarówno stężenia jonów jak i gazów rozpuszczonych (tlen, azot, dwutlenek węgla, a także pH). Jeziora dzieli się na słodkowodne (przeważają jony wapnia i wodorowęglanowe) oraz słone (jony siarczanowe, chlorkowe oraz sodu). Mniejsze zmiany składu wody zachodzą w jeziorach dużych i mniejszy jest także wpływ, jaki na skład wody wywierają dopływające rzeki. W przypadku nadmiaru odżywczych substancji nieorganicznych, azotu i fosforu może nastąpić eutrofizacja.

Woda morska

Stanowi 95% wszystkich wód na globie ziemskim. Cechą charakterystyczną jest zawartość chlorków, sodu, magnezu. W wodach rzecznych przeważają natomiast jony wapnia, wodorowęglanowe i siarczanowe. Wody morskiej ubywa stale w skutek parowania, a przybywa z rzek. Na skutek tych procesów następuje zagęszczanie wody gęstość wody morskiej wynosi 1,024 kg*m^-3, a temperatura na głębokości 3000m jest stała (273-276K). Odczyn wody morskiej jest lekko alkaliczny, pH wynosi 8-8,3. Woda morska odznacza się charakterystycznymi stosunkami stężeń poszczególnych składników. Wyraża się je za pomocą współczynników, np. chlorobromowy wynosi ok. 300. Zawartość związków azotowych jest zmienna i zależy od procesów nitryfikacji i denitryfikacji. Ze wzrostem głębokości ubywa azotu azotanowego, co wiąże się z obumieraniem planktonu.

Woda do picia

Musi spełniać podstawowe warunki sanitarno-epidemiologiczne:

-powinna być klarowna, bezwonna, bezbarwna i o orzeźwiającym smaku;

-nie powinna zawierać składników trujących, ani tez nadmiernych ilości związków żelaza, magnezu, wapnia i manganu;

-nie powinna zawierać bakterii chorobotwórczych, pasożytów zwierzęcych ani ich larw i jaj.

Pożądane jest aby woda miała niską temperaturę (280-285K) i zawierała odpowiednie składniki potrzebne organizmowi ludzkiemu, takie jak jod i fluor.

14. Klasyfikacja wód naturalnych według 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.

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

Klasyfikacja wód według składu chemicznego

• Klasyfikacja Palmera- uwzględnia się stosunek grup anionów do i kationów, które nadają wodom naturalnym charakterystyczne właściwości, jak twardość, zasolenie, alkaliczność, odczyn. Właściwości te zależą od wzajemnego stosunku stężeń różnych jonów zawartych w wodzie. Dlatego Palmer uwzględnia w podanej klasyfikacji tylko określone pięć grup kationów i anionów i sześć charakterystycznych właściwości wody. Na podstawie klasyfikacji Palmera można podzielić wody naturalne ze względu na ich skład chemiczny na kilka grup. Ten sposób klasyfikacji wód jest zbyt ogólny i dlatego wykazuje wiele wad.

• Klasyfikacja Szczukariewa- jest oparta na podziale wód naturalnych z uwzględnieniem obecności w wodzie jonów w ilości ponad 12,5% równoważników. W warunkach normalnych w takich ilościach występuje przede wszystkim sześć najważniejszych jonów: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, HCO₃^-, SO₄^2-. W roztworze mogą istnieć połączenia oparte na kombinacjach trzech kationów z trzema anionami, co daje 49 połączeń, które odpowiadają 49 klasom wód naturalnych. Każda klasa ma swój numer, np. skład dziewiątej klasy wody jest określony obecnością jonów Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^- i SO₄^2- w ilości ponad 12,5% równoważników każdego z nich.

• Klasyfikacja Aleksandrowa polega na podziale wód naturalnych według ich składu na sześć klas. Pierwsze trzy klasy (wodorowęglanowa, siarczanowa, chlorkowa) określono na podstawie przewagi jednego z następujących jonów HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, ponad 12,5% równoważników oraz na podstawie zawartości innych jonów poniżej 12,5% równoważników, przyjmując sumę anionów i kationów równą 100% równoważników. Czwarta klasa jest kombinowana. Należą do niej wody, w których zawartość dwu lub trzech anionów przewyższa 12,5% równoważników. Każda z tych trzech klas dzieli się zależnie od przewagi jednego z następujących kationów Ca²⁺, Mg²⁺ lub Na⁺. Piąta klasa obejmuje wody jednej z klas poprzednich, jeżeli zawierają one składniki specyficzne, występujące w wodach naturalnych w dużych ilościach (Fe, Al, I , i inne). Do szóstej klasy należą wody zawierające większe ilości gazów (CO₂ i H₂S) oraz substancji promieniotwórczych.

• Klasyfikacja Alekina- jako podstawę podziału przyjęto tutaj jony, których stężenia przeważają, oraz stosunki tych stężeń. Wszystkie wody naturalne dzielą się na trzy klasy zależnie od anionu, którego jest najwięcej (stężenie wyraża się w równoważnikach). Są to więc wody wodorowęglanowe (HCO₃^- + CO₃^2-), siarczanowe (SO₄^2-) i chlorkowe(Cl^-). Każdą klasę podzielono na trzy grupy: wapniową, magnezową i sodową, uwzględniwszy kation, którego stężenie jest największe. Każda grupa dzieli się na trzy typy wód, które określa stosunek stężeń jonów (w miligramorównoważnikach). W pierwszym typie wód [HCO₃^-] >[Ca²⁺]+[Mg²⁺].

Wody te są w małym stopniu zmineralizowane i wykazują nadmiar jonów HCO₃^- w odniesieniu do ogólnej liczby jonów metali ziem alkalicznych. W drugim typie [HCO₃^-] < [Ca²⁺]+[Mg²⁺]<[HCO₃^-] + [SO₄^2-] .Należą tu wody podziemne, jak również wody rzeczne i jeziorne o małej mineralizacji. W trzecim typie [HCO₃^-] + [SO₄^2-] <[Ca²⁺]+[Mg²⁺], czyli inaczej [Cl^-] > [Na⁺]. Zaliczamy tu wody silnie zmineralizowane, wody oceanów i mórz oraz wody podziemne. Wody czwartego typu nie zawierają jonów HCO₃^-. Są one kwaśne i mogą należeć tylko do klasy siarczanowej i chlorkowej, w grupach Ca²⁺ i Mg²⁺, w których nie ma pierwszego typu.

Tego rodzaju klasyfikacja wód naturalnych, która opiera się na ich składzie chemicznym, umożliwia ustalenie pochodzenia wody i wyrobienie sobie poglądu na procesy wywołujące widoczna zmianę składu wody. Klasyfikacja Alekina obejmuje wszystkie wody naturalne o mineralizacji wynoszącej do 50 kg*m^-3 i wody morskie.

16. Ditlenek węgla. Równowaga węglowo-wapniowa.

Dwutlenek węgla (CO₂, nazwa systematyczna: ditlenek węgla lub tlenek węgla(IV)) - nieorganiczny związek chemiczny, tlenek węgla na IV stopniu utlenienia.

W temperaturze pokojowej jest to bezbarwny, bezwonny i niepalny gaz, dobrze rozpuszczalny w wodzie i cięższy od powietrza (ok. 1,5 raza). Pod normalnym ciśnieniem przechodzi ze stanu stałego do gazowego (sublimuje) z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze -78,5°C. Pod zwiększonym ciśnieniem (5,1 atm) można go jednak skroplić w temperaturze -57°C. Dwutlenek węgla jest produktem spalania i oddychania. Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych. Występuje w kopalniach, cukrowniach, gorzelniach, wytwórniach win, silosach zbożowych, browarach i studzienkach kanalizacyjnych. W laboratorium najłatwiej wytworzyć dwutlenek węgla poprzez prażenie węglanu wapnia CaCO₃:

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

lub działając praktycznie dowolnym kwasem (np. octowym, solnym, cytrynowym) na węglany, np. węglan wapnia, węglan (Na₂CO₃) lub wodorowęglan (NaHCO₃) sodu i in. (→ aparat Kippa):

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

W przemyśle dwutlenek węgla otrzymuje się podczas spalania węglowodorów lub jako produkt uboczny fermentacji alkoholowej.

W naturalnych wodach powierzchniowych CO2 pochodzi głównie z atmosfery, bądź procesów mineralizacji substancji organicznych, w wodach wgłębnych zaś z procesów geochemicznych. Pochłanianie CO2 z atmosfery obserwuje się przede wszystkim w morzach, a bardzo rzadko w wodach powierzchniowych rzecznych, które zawierają CO2 zwykle w większych ilościach niż wymaga tego stan równowagi w atmosferze. Dlatego w wodach rzecznych obserwuje się na ogół proces odwrotny- wydzielenie się CO2 do atmosfery. Zawartość CO2 w wodach naturalnych zmienia się w bardzo szerokich granicach. W zależności od pH wody CO2 może występować bądź całkowicie w postaci gazowej (pH mniejsze niż 4,5), bądź tez w postaci jonu wodorowęglanowego HCO^-₃ (pH= 8,4) lub węglowego CO^2-₃ (pH= 10,5).

Ogólny CO2 jest sumą CO2 zawartego w wodzie w wyżej podanych postaciach. Ogólny CO2 dzielimy na wolny i związany. Związany znajduje się w wodzie pod postacią wodorowęglanów HCO^-₃ i węglanów CO^2-₃ natomiast wolny CO2 występuje w postaci rozpuszczonej i jako kwas węglowy. Należy nadmienić, że w wodach naturalnych prawie cały wolny CO2 znajduje się w postaci rozpuszczonej, a tylko niespełna 1% występuje w wodzie w postaci kwasu węglowego. Częsć wolnego CO2 niezbędna do utrzymania w roztworze rozpuszczonego wodorowęglanu nazywa się dwutlenkiem węgla równowagi węglanowo-wapniowej lub po prostu przynależnym CO2. W miarę zwiększania się w wodzie stężenia wodorowęglanów ilość niezbędnego CO2 przynależnego znacznie wzrasta. Pozostała część wolnego CO2 w wodzie, czyli nadmiar wolnego CO2 w stosunku do stechiometrycznej ilości CO2 przynależnego jest CO2 agresywnym w stosunku do betonu i metali.
Obecność CO2 w wodach naturalnych stwarza problemy gospodarcze i techniczne ze względu na powodowanie korozji urządzeń metalowych i betonowych.

17. JONY

A) Jony w wodzie pochodzą z dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadu cząsteczek związków chemicznych po wpływem rozpuszczalnika. Dysocjują związki w których wiązania są jonowe lub bardzo silnie spolaryzowane, zdysocjowany roztwór związku chemicznego nazywa się elektrolitem. Pojęcie Elektrolit oznacza nie mniej nie wiecej jak: substancję, która stopiona lub rozpuszczona w rozpuszczalniku dysocjuje (czyli jak pisałem wcześniej rozpada się na swobodne jony).
Elektrolitami są: wodne roztwory soli, kwasów i zasad, oraz stopy tych związków. Elektrolity w zależności od ich stopnia dysocjacji dzieli się na:

-Mocne elektrolity, całkowicie zdysocjowane na jony - wodorotlenki pierwiastków pierwszej i drugiej grupy układu okresowego np. : KOH, NaOH, mocne kwasy m.in. HCl, HI, HBr, H₂SO₄, HNO₃, HClO₄ oraz większość soli nieorganicznych rozpuszczalnych w wodzie.
-Słabe elektrolity, są tylko częściowo zdysocjowane na jony - H₂CO₃, H₃PO₄, H₂SO₃, HNO₂, CH₃COOH.
Elektrolit w wyniku dysocjacji może przewodzić prąd elektryczny. Przewodność elektrolitu zwana jest konduktancją, jest ściśle związana z ilością oraz ładunkiem jonów w roztworze, stąd jest wykorzystywane do analizy ilościowej jak i w pewnym stopniu jakościowej w metodzie zwanej konduktometrią. Z użyciem konduktometru (przyrządu do pomiaru przewodności) możemy kontrolować stan wody w akwarium. Gdy w wodzie wzrasta stężenie jonów azotanowych, węglanowych, fosforanowych i innych następuje wzrost przewodności elektrolitycznej wody.
W dalszej części rozważając następne zagadnienia związane z wodą będziemy mówić o zjawiskach jonowych. Dzięki swojej polarności woda tworzy wiązania wodorowe, to właśnie one powodują „wysoką” temperaturę topnienia i wrzenia w porównaniu do innych wodorków tlenowców takich jak H₂S, H₂Se, H₂ Te.
W środowisku wodnym dzięki polarności tego rozpuszczalnika wiele związków ulega dysocjacji (wymienione wcześniej elektrolity). Sama woda również podlega dysocjacji (autodysocjacji) zgodnie z równaniem:
H₂O + H₂O <-> H₃O­­⁺ + OH ^-

H₃O­­⁺ - jon hydroniowy

OH ^- - Anion wodorotlenowy

w uproszczeniu:
H₂O <-> H­­⁺ + OH ^-

 H­­⁺- kation wodorowy
OH ^- - Anion wodorotlenowy

Strzałki w obie strony to stan równowagi chemicznej. Reakcja nie przebiega do końca, lecz na bieżąco ustala się równowaga w postaci pewnych stężeń substancji po obu stronach równania.

PH

B)Woda ulega stałej, samoczynnej dysocjacji, w wyniku czego niewielka część cząsteczek znajduje się zawsze w postaci jonów OH^-- i H⁺.

W trakcie dysocjacji pęka jedno z wiązań O-H, a uwolniony kation H⁺ dołącza się do cząsteczki wody tworząc jon hydroniowy H₃O⁺. Z tego powodu w roztworach wodnych praktycznie nie spotyka się wolnych jonów H⁺. Jednak przy określaniu stężenia jony podaje się umownie jako [H⁺] i [OH^-].

Stężenie jonów wodorowych [H⁺] jest miarą kwasowości roztworu. W 25°  C w czystej wodzie stężenia wynoszą: [H⁺]=[OH^-]=10 ^-7 mola/litr. Dla uproszczenia przyjęto używać skali pH, gdzie pH = -log₁₀[H⁺].

	stężenie jonow wodorowych[mol/l]	pH	przykład
odczyn kwasowy	10^-0	0
		10^-1	1	soki trawienne
		10^-2	2	sok cytrynowy
		10^-3	3	ocet winny
		10^-4	4	kwaśna gleba
		10^-5	5	lizozomy
		10^-6	6	cytoplazma skurczonych mięśni
odczyn obojętny	10^-7	7	czysta woda i cytoplazma
odczyn zasadowy	10^-8	8	woda morska
		10^-9	9	zasadowa gleba
		10^-10	10	jeziora o odczynie zasadowym
		10^-11	11	woda amoniakalna
		10^-12	12
		10^-13	13
		10^-14	14

18. Związki azotowe jako wskaźniki zanieczyszczenia wód

Pochodzenie zw. Azotu może być organiczne lub mineralne.

W wodach naturalnych mogą pochodzić z gleby, ścieków przemysłowych, a atmosfery zawierającej tlenki azotu( po burzy)

W wodach podziemnych w skutek redukcji azotanów i azotynow przez siarkowodór, piryty lub zw. Humusowe.

Amoniak powstaje w wyniku biochemicznego rozkładu białek przez bakterie. Kation NH4+ jest nietrwały i łatwo przechodzi w inne zw. Azotu.

NITRYFIKACJA: ( w warunkach tlenowych)

I faza NH₃+1,5O₂=HNO₂+H₂O

II faza HNO₂+0,5O₂=HNO₃

 

Krzywa d natomiast przedstawia procesy nitryfikacji związków azotowych zachodzące zwykle po biochemicznym utlenianiu. Przebieg tych procesów można przedstawić za pomocą schematu:

DENITRYFIKACJA: (ubogie w tlen)

HNO₃+H₂O= NH₃+2O₂

Przy braku tlenu( 100% DEFICYT) DENITRYFIKACJA POŁĄCZONA JEST Z RÓWNOCZESNYM UTLENIANIEM zw. Organicznych co daje wolny azot.

5C₆H₁₂O₆+24KNO₃=24KHCO₃+6CO₂+18H₂O+12N

Azotany(III) i azotany(V)
Azotany(III) mogą być pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Są one produktem przejściowym w cyklu azotowym zachodzącym w wodach naturalnych.

Azotany(III) są nietrwałe i łatwo przechodzą w amoniak lub azotany(V). Wskazane jest aby stężenie azotanów(III) w wodzie nie było większe niż l mg*dm^-3.

Azotany(V) występują we wszystkich rodzajach wód. Azotany(V) do wód naturalnych dostają się ze ścieków komunalnych i przemysłowych, z pól nawożonych nawozami azotanowymi, a także z rozkładu organicznych związków azotowych. Azotany występujące w wodach powierzchniowych przyspieszają eutrofizację, co powoduje zmniejszenie wydajności procesów uzdatniania wody oraz pogarsza jej smak i zapach.

Obecność w wodzie naturalnej amoniaku, przy braku azotanów(III) wskazuje na świeże zanieczyszczenie wody ściekami zawierającymi azot.

Jeżeli w wodzie jednocześnie znajduje się amoniak i jony azotanowe(III) może to świadczyć o zanieczyszczeniu istniejącym od pewnego czasu.

Natomiast obecność azotanów(V), przy braku amoniaku i azotanów(ni), świadczy o tym, że zanieczyszczenie wody nastąpiło dawno i w tym czasie zaszedł proces samooczyszczenia wody.

Wskaźnikiem zanieczyszczenia jest amoniak z odpadków zwierzęcych

Badanie pochodzenia:

-roślinne:

• Znaczne zabarwienie wody

• Zwiększona utlenialność

-zwierzęce

• Zwiększona utlenialność

• Wzrost zawartości chlorków

• Wzrost opalescencji

• Wzrost liczby bakteri podczas inkubacji w 37oC

chemiczne zapotrzebowanie na tlen, informujące nas o ilości związków organicznych, zawiesin oraz o zawartości związków azotowych i fosforowych zarówno o charakterze organicznym jak i nieorganicznym

amoniak i azotyny pochodzenia mineralnego nie są normowane poniewarz są w małej ilości\

Azotany w wodzie pitnej <10mg/dm3

Problemem jest sposób stosowania nawozów organicznych. W licznych gospodarstwach rolnych nawóz jest wywożony po zbiorze zbóż pod rośliny okopowe, a następnie przyorany. Gleba pozostaje, więc do wiosny bez okrywy ścierniskowej, a rozpuszczalne związki azotowe i fosforowe przedostają się w głąb gleby, stanowiąc źródło zanieczyszczeń wód podziemnych.

19.

Eutrofizacja [gr. eutrophía `dobre odżywianie'], ekol. wzbogacanie się zbiorników wodnych w substancje odżywcze (pierwiastki biogenne, gł. azot i fosfor, także potas i sód), powodujące nadmierną produkcję biomasy glonów nitkowatych (kurczy się zasięg występowania morszczynu pęcherzykowatego Fucus vesiculosus); występuje w wodach stojących; prowadzi do wystąpienia intensywnego zabarwienia i zapachu wody, mętności, wymierania organizmów zwierzęcych (zwł. ryb), dominacji organizmów beztlenowych, gromadzenia się znacznej ilości org. mułów (wypłycanie się zbiorników).

Generalnie eutrofizacja jest zjawiskiem niebezpiecznym i np. dla Morza Bałtyckiego uważana za jedno z największych zagrożeń ekosystemu morskiego. Azot i fosfor dostają się do wód M. Bałtyckiego bezpośrednio lub z wiatrem lub wodami rzek.

Punktowym źródłem zanieczyszczeń mogą być zakłady przemysłowe czy też farmy rybne. W strefie przybrzeżnej intensywnie rozwija się działalność człowieka, a co za tym idzie rolnictwo, przemysł, transport wpływa na poziom zanieczyszczeń. Źródłem naturalnym może być erozja i wymywanie.

Skutki eutrofizacji:
1. Wysokie stężenie substancji odżywczych może prowadzić do dużych zakwitów wody. Powodują one pokrycie całej  powierzchni wody danego akwenu przez fitoplankton, co uniemożliwia przenikanie światła do niższych warstw wody. Powoduje to zatrzymanie wzrostu roślin żyjących w głębszych warstwach wody i zmniejsza różnorodność biologiczną. 

2. Kiedy fitoplankton obumiera zostaje zremineralizowany (czyli po prostu zjedzony) przez bakterie. W procesie tym jest zużywany tlen z wody. Jeśli zakwity są duże to rozkład materii organicznej przez bakterie może pochłonąć tak dużo tlenu w głębszych warstwach wody, że nie braknie go dla ryb do oddychania; muszą one odpłynąć do innych obszarów morskich lub skazane są na śmierć.

3. Nadmierna ilość składników odżywczych może czasem prowadzić do rozrostu takich gatunków fitoplanktonu, które produkują szkodliwe toksyny. Mogą one powodować śmierć innych gatunków łącznie z rybami. Skorupiaki kumulują w swoich organizmach te toksyny kiedy zjadają fitoplankton, my z kolei też jesteśmy narażeni na działanie tych toksyn kiedy zjadamy skorupiaki.

Dyrektywy europejskie dotyczące postępowania ze ściekami i użycia detergentów bez fosforanów spowodowały zmniejszenie dostaw fosforu do rzek i mórz. Jednak stężenie fosforu w wodach przybrzeżnych jest ciągle bardzo wysokie i wygląda na to, że fosfor magazynowany w osadach zaczyna być teraz powoli uwalniany z powrotem do wody. Użycie nawozów azotanowych zmniejsza się w Europie od lat 80. XX wieku, ale dostawy azotanów do rzek wskutek działalności rolniczej są wciąż bardzo wysokie.

21. Substancje organiczne w wodach naturalnych powstają w wyniku chemosyntezy i fotosyntezy. Bakterie zdolne do syntezy chemicznej wytwarzają substancje organiczne z prostych związków nieorganicznych; korzystają w tym celu z energii wydzielającej się podczas przemian chemicznych. W przeciwieństwie do nich organizmy zdolne do fotosyntezy tworzą substancje organiczną; korzystają w tym celu z energii w tym celu z energii słonecznej. Substancje organiczne występujące w wodach naturalnych mogą być pochodzenia naturalnego (roślinnego i zwierzęcego) i sztucznego.
Źródła substancji organicznych w wodzie .

Rozróżnić można następujące źródła powstawania substancji organicznych w wodzie :

• Substancje naturalne . Podstawową grupą substancji naturalnych w wodach i osadach dennych są substancje humusowe ,które stanowią 60-80% całkowitej masy substancji organicznych . Związki te nie są całkowicie usuwane w trakcie uzdatniania wody i tworzą podczas chlorowania wody wiele produktów utleniania , z których najistotniejsze są haloformy .

• Ścieki przemysłowe i miejskie . Ścieki zawierają wiele naturalnych i syntetycznych związków organicznych . Do substancji syntetycznych najczęściej występujących należy zaliczyć : węglowodory alifatyczne i aromatyczne tj. benzen, fenole, WWA , halogenowane związki alifatyczne , alicykliczne i aromatyczne, pestycydy chloroorganiczne , polichlorowane bifenyle ( PCB ) i ftalany .

• Spływy powierzchniowe . Spływy z pól uprawnych zawierają pestycydy . Tereny miejskie i drogi dostarczają wiele różnych substancji , takich jak węglowodory alifatyczne i aromatyczne , WWA , kwasy tłuszczowe , ketony, ftalany . Źródłem substancji organicznych są także spływy z hałd odpadów i wysypisk śmieci .

• Opady atmosferyczne . Na skutek parowania z powierzchni terenu , spalania węgla i ropy naftowej oraz emisji z zakładów przemysłowych , głównie chemicznych , wody deszczowe zawierają wiele substancji organicznych tj. WWA , PCB , pestycydy chloroorganiczne , węglowodory chlorowane niskocząsteczkowe , plastyfikatory i rozpuszczalniki .

• Związki organiczne powstające przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków . Podczas chlorowania wody i ścieków powstaje wiele halogenowanych i niehalogenowanych produktów utleniania . W procesie tym główną rolę odgrywają substancje humusowe . Dodawanie koagulantów przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków zaliczane jest również jako wprowadzanie zanieczyszczeń do wody . Koagulanty zawierają często takie substancje uboczne jak monomery akryloamidowe .

• Zbiorniki wodne jako źródło powstawania związków organicznych . Związki organiczne są wytwarzane w wodach powierzchniowych ze związków mineralnych przez organizmy autotroficzne w procesie fotosyntezy przez rośliny zielone i bakterie oraz w procesie chemosyntezy . Również w wyniku przemian metabolicznych w organizmach wodnych do wody są wprowadzane różnorodne substancje . Rośliny wydzielają do wody węglowodany , kwasy organiczne , aminokwasy , aminy , polipeptydy, witaminy, fenole i in.

Węglowodany znajdujące się w wodach naturalnych mogą być pochodzenia roślinnego i zwierzęcego (naturalnego), z rozkładu obumarłych roślin i organizmów zwierzęcych żyjących w wodzie. Źródłem węglowodanów w wodach powierzchniowych są również zrzuty ścieków bytowo-gospodarczych miejskich i przemysłowych.
W wodach naturalnych występują zazwyczaj mieszaniny węglowodanów w postaci rozpuszczonej i jako koloidy. Węglowodany zależnie od wielkości i budowy cząsteczek dzieli się na cukry proste i złożone. Wśród cukrów złożonych rozróżniamy oligosacharydy i polisacharydy.
Tłuszcze są to estry alkoholi jedno- lub wielowodorotlenowych i nasyconych lub nienasyconych wyższych kwasów tłuszczowych. Lipidy dzieli się na tłuszcze właściwe, woski i tłuszcze złożone.
Białka substancje te w wodach naturalnych pochodzą z rozkładu obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących w wodzie lub przedostających się do wody ze ścieków lub innych źródeł.
Białka występujące w świecie roślinnym są wytwarzane przez rośliny, glony i inne autotrofy, które syntetyzują związki mineralne z wody, CO2 i azotu pobieranego z gleby, wody lub powietrza.
Białka są substancjami przeważnie bezpostaciowymi, bardzo rzadko krystalicznymi. Część białek jest nierozpuszczalna w wodzie. Białka rozpuszczalne, ze względu na swa bardzo dużą masę cząsteczkową, dają roztwory koloidalne. Niektóre białka nierozpuszczalne w czystej wodzie przechodzą do roztworu dopiero po dodaniu soli, wodorotlenków lub kwasów. Oznacza to, że ich rozpuszczalność zależy od pH roztworu. W punkcie izoelektrycznym białko jest najsłabiej rozpuszczalne. Od pH zależy również zdolność białek do wydzielania z roztworu, czyli tzw. wysalanie.
Substancje humusowe są obecne niemal we wszystkich wodach naturalnych, a w niektórych stanowią główny składnik substancji organicznych. Źródłem substancji humusowych w wodach naturalnych mogą być: gleba, torf, ściółka leśna i inne cząstki roślin. Substancje organiczne pochodzenia roślinnego przekształcają się w glebach pod wpływem czynników fizycznych oraz procesów chemicznych i biologicznych w humus, stanowiący zespół złożonych substancji.
Rozróżnia się humus glebowy i wodny, gdyż proces humifikacji przebiega również pod wodą. Humus glebowy (próchnica) składa się z nie rozłożonych pozostałości pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Podczas tworzenia się humusu zachodzą procesy syntezy, polimeryzacji i kondensacji.

Związki organiczne w wodach naturalnych można podzielić na trwałe biologicznie i nietrwałe- ulegające rozkładowi biochemicznemu, mineralizacji. Proces ten odbywa się przy współdziałaniu bakterii w środowisku tlenowym i beztlenowym. W razie silnego zanieczyszczenia i nieobecności tlenu rozpuszczonego w wodzie dominują bakterie beztlenowe powodujące anaerobowy rozkład związków organicznych. Proces gnicia w powierzchniowych wodach naturalnych jest zjawiskiem nienormalnym, wskazującym na silne ich zanieczyszczenie i nieobecność rozpuszczonego tlenu.

Do tematu należy jeszcze BZT, Ogólny Węgiel Organiczny, ChZT ( zakres materiału z laborek)

22. Zanieczyszczenia wód ściekami miejskimi i przemysłowymi:

Zanieczyszczenia wód ogólnie - niekorzystne zmiany właściwości fizycznych, chemicznych i bakteriologicznych wody spowodowane wprowadzaniem w nadmiarze substancji nieorganicznych (stałych, płynnych, gazowych), organicznych, radioaktywnych czy wreszcie ciepła, które ograniczają lub uniemożliwiają wykorzystywanie wody do picia i celów gospodarczych.

ścieki odprowadzane w zorganizowany sposób systemami kanalizacyjnymi, pochodzące głównie z zakładów przemysłowych i z aglomeracji miejskich są to punktowe źródła zanieczyszczeń.

Ścieki (wody zwrotne) z systemów kanalizacyjnych (przemysłowych i komunalnych) - Stanowią główne źródło zanieczyszczeń wód, zwłaszcza powierzchniowych. Należą do nich ścieki:

Bytowo-gospodarcze, tj. wody zużyte do celów higienicznych i gospodarczych, w gospodarstwach domowych, zakładach pracy i zakładach użyteczności publicznej. Charakteryzują się one na ogół stałym składem wynikającym z powtarzalności zabiegów higienicznych i czynności związanych z prowadzeniem gospodarstw domowych.

Przemysłowe, tj. wody zużyte w zakładach produkcyjnych i usługowych w wyniku procesów technologicznych. Ich skład zależy od rodzaju przemysłu, materiałów stosowanych w produkcji oraz w technologii. Ten rodzaj ścieków oznacza się na ogół większym stężeniem i wyższym stopniem zanieczyszczenia od ścieków bytowo-gospodarczych.

Opadowe z terenów skanalizowanych, tj. głównie wody deszczowe i roztopowe oraz wody zużyte na polewanie ulic i placów. Ścieki te cechuje znacznie mniejsze zanieczyszczenie i niewielkie stężenie, szczególnie po pewnym czasie trwania deszczu lub roztopów.

Wody filtracyjne (gruntowe) przedostające się do kanalizacji przez nieszczelności i pęknięcia przewodów kanalizacyjnych. Odznaczają się zwykle niewielkim zanieczyszczeniem.

Podział na przemysłowe i miejskie:

Przemysłowe

Zanieczyszczenia przemysłowe tworzą głównie ścieki przemysłowe, które są odprowadzane do rzek, jezior, pobliskich strumieni. Zanieczyszczenia te powstają na skutek wydobywania oraz uszlachetniania surowców, ale także podczas mycia i oczyszczania półproduktów oraz końcowych produktów, podczas chłodzenia urządzeń, podczas transportu hydraulicznego, w czasie filtracji, flotacji, destylacji oraz podczas innych metod produkcyjnych. Główne zanieczyszczenia ścieków przemysłowych to: sole ciężkich metali, chlorki, związki wapnia oraz azotu, zasady mineralne, kwasy mineralne, szkodliwe związki organiczne (składniki ropy naftowej, fenole, substancje barwnikowe), cyjanki, wody chłodnicze w podwyższonej temperaturze. Gdy przenikną do organizmów zwierząt, mogą spowodować problemy z wątrobą, układem pokarmowym, oraz układem krwionośnym.

ścieki przemysłowe - zawierają najczęściej rozmaite związki chemiczne, będące ubocznym produktem procesów technologicznych stosowanych w zakładach przemysłowych. Problem ścieków występuje szczególnie w koksowniach, zakładach petrochemicznych, garbarniach, celulozowniach, mleczarniach i cukrowniach. Ich nieoczyszczone ścieki stanowią duże zagrożenie dla odbiorników naturalnych. Na ogół nie stanowią zagrożenia sanitarno-epidemiologicznego, gdyż nie zawierają bakterii chorobotwórczych. Wyjątkiem są ścieki z zakładów przemysłu spożywczego, garbarni i zakładów utylizacji odpadów. Mogą one zawierać chorobotwórcze drobnoustroje w różnych postaciach (wegetatywnej i zarodnikowej) i jako takie powinny być poddawane procesom dezynfekcji.

Miejskie:

Rodzaje ścieków miejskich:

- bytowo-gospodarcze

- fekalia

- przemysłu miejskiego

- opadowe

- infiltracyjne, drenażowe (przypadkowe)

- nielegalne zrzuty ścieków.

Ten typ zanieczyszczeń tworzony jest przez ścieki miejskie, które powstają w wyniku działalności gospodarczej i bytowej człowieka. Są to przede wszystkim odpady gospodarcze, wydaliny fizjologiczne zwierząt i ludzi, szpitalne odpady oraz odpady z zakładów przemysłowych łaźni oraz pralni.

Główne składniki ścieków komunalnych to zanieczyszczenia pochodzenia organicznego. Wraz z fekaliami do ścieków bytowych są odprowadzane odpady kuchenne, detergenty, papier. Środki piorące zawierają znaczne ilości fosforanów, które mogą spowodować niekorzystny rozwój glonów. Ścieki te zawierają także chorobotwórcze drobnoustroje, które mogą wywoływać takie choroby jak: cholera, choroba Heinego Mediny, tyfus, dur brzuszny. Są dużym zagrożeniem higienicznym. W skład ścieków komunalnych mogą także wchodzić metale ciężkie, gdy przenikną do organizmów zwierząt, mogą spowodować uszkodzenia wątroby, układu nerwowego, naczyń krwionośnych, kości oraz serca.

ścieki komunalne - są mieszaniną ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych oraz wód opadowych. BZT₅ tych ścieków wynosi od 200 do 300 mg tlenu/litr.

Ścieki miejskie są mieszaniną wód zużytych w gospodarstwach

domowych, w drobnych zakładach przemysłowych, w zakładach usług

komunalnych z wodami infiltrującymi do kanalizacji przez nieszczelności

sieci. W kanalizacji ogólnospławnej ścieki miejskie zawierają także wody

opadowe.

Stopień oczyszczania ścieków przemysłowych i komunalnych w 2003 roku:

Na 2,2 km3/rok ścieków wymagających oczyszczenia oczyszczone zostały 2 km3 ścieki oczyszczone, z czego:

0,6 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami fizycznymi

0,2 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami chemicznymi

0,6 km3/rok - ścieki oczyszczone procesami biologicznymi

0,6 km3/rok - oczyszczanie z podwyższonym usuwaniem biogenów

23. Zanieczyszczenie wód ropą naftowa i jej pochodnymi

Ropa naftowa jest skomplikowaną mieszaniną węglowodorów o różnej budowie i

wielkości cząsteczek pochodzenia naturalnego. Składa się przede wszystkim z

prostołańcuchowych węglowodorów alifatycznych. Chemiczny skład ropy naftowej zależy od jej pochodzenia.

Węglowodory tworzące ropę naftową mając charakter niepolarny rozpuszczają się w

wodzie w bardzo niewielkim stopniu.

Czas tworzenia się ropy naftowej to ok. 60 milionów lat.

Z ropy naftowej produkuje się w procesie rafinacji inne substancje:

• Benzyny

• Oleje

• Naftę

• Mazuty

• Asfalty

Ropa naftowa do środowiska, w tym także do wód dostaje się w wyniku wydobycia jej, gospodarki człowieka oraz różnego rodzaju katastrof takich jak wyciek z tankowców.

Mimo iż te ostatnie są najbardziej znane i rozgłaszane przez media stanowią bardzo małą część zanieczyszczenia.

Ropa naftowa jako substancja nierozpuszczalna, lżejsza od wody pływa po jej powierzchni. Każdorazowo wyciek ropy naftowej związany jest ze skażeniem części wybrzeża oraz zagłady ryb i ptaków morskich. Frakcje lżejsze, lotne stosunkowo szybko wyparowuje do atmosfery (jedynie ok. 5-10% ropy naftowej zawiera frakcje lotne), natomiast pozostałość po pewnym czasie przylepi się do planktonu występującego w morzach i oceanach opadając na dno jako nierozpuszczalny związek i zostanie tam związana. Każdorazowo wyciek ropy naftowej związany jest ze skażeniem części.

Podczas spalania ropy naftowej powstają między innymi: dwutlenek węgla, woda, węglowodory łańcuchowe, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Te ostatnie szczególnie mają negatywne znaczenie dla środowiska i organizmów żywych. Powodują skażenie środowiska i mają silne właściwości kancerogenne.

Podczas spalania ropy naftowej wydzielają się związki zwane pristanami, które występują w roślinach. Jest to dowód, że ropa naftowa powstała z przekształcenia się organizmów żywych na przełomie kilku tysięcy lat.

Pochodne ropy naftowej wprowadzane są do środowiska przede wszystkim podczas wykorzystania gospodarczego przez człowieka. Ich działanie jest podobne do samej ropy naftowej. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej pochodnej zmniejsza się jej lotność oraz zwiększa niekorzystne oddziaływanie na środowisko.

24.

Środki powierzchniowo czynne (SPC) to związki, które charakteryzują się występowaniem w ich cząsteczkach części hydrofilowej i hydrofobowej. Związki te mają charakter amfifilowy, związany z jednoczesną, niepełną rozpuszczalnością związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach. SPC posiadają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, dzięki czemu ułatwiają zwilżanie powierzchni ciał stałych przez te ciecze. Również umożliwiają mieszanie dwóch niemieszających się ze sobą cieczy, np: wody i oleju, w wyniku czego zostaje wytworzony układ koloidowy o nazwie emulsja Wyróżnia się dwa główne typy emulsji: olej/woda i woda/olej.

Środki powierzchniowo czynne można podzielić na grupy w zależności od ich zastosowania:
- emulgatory - dodatki utrwalające emulsje
- środki zwilżające
- środki pianotwórcze - dodatki utrwalające pianę
- detergenty - środki czyszczące

Właściwości związków powierzchniowo czynnych wykorzystywane są przede wszystkim w procesie usuwania brudu (szampony, proszki do prania, płyny do mycia naczyń, mydła).

Środki ochrony roślin

Pestycydy i herbicydy

Naturalne lub syntetyczne substancje stosowane do zwalczania różnego rodzaju szkodników, głównie w rolnictwie, higienie wentylacyjnej (zwalczanie owadów i gryzoni)

Pestycydy dzieli się na:

• Insektycydy (owadobójcze)

• Herbicydy (chwastobójcze)

• Fungicydy (grzybobójcze)

• Bakteriocydy (bakteriobójcze)

• Defolianty (usuwają liście roślin)

Źródło pestycydów w wodzie

• Spływ z pól uprawnych

• Spływy ze ściekami z zakładów produkujących lub stosujących pestycydy, ścieki miejskie

• Bezpośrednie stosowanie do zwalczania roślin w wodzie

Pestycydy organiczne:

• Związki chloroorganiczne (chlorowane węglowodory)

• Związki fosfoorganiczne

• Karbaminiany

• Pestycydy mocznikowe

Pestycydy powinny:

• Być toksyczne w stosunku do składników docelowych

• Być mało toksyczne dla człowieka i innych organizmów

• Być trwałe

• Łatwo ulegać biodegradacji do związków nietoksycznych po spełnieniu zadania

Herbicydy - chemiczne środki służące do selektywnego niszczenia chwastów w uprawach. Ich stosowanie stanowi uzupełnienie mechanicznych zabiegów pielęgnacyjnych.

Herbicydy dzielą się na:

doglebowe

• przedsiewne; wymagają wymieszania z glebą,

• przedwschodowe

pogłówne

• o działaniu dolistnym

• o działaniu doglebowym

• o działaniu dolistnym i doglebowym

Fenole

Mogą być związkami syntetycznymi lub też pochodzenia naturalnego. Fenole są naturalnymi produktami przemiany materii u zwierząt, powstają w procesie rozkładu białek Ilości są znikome. Stosowane na szeroką skale w przemyśle chemicznym, a także jako środowisko dezynfekcyjne. Są toksyczne w stosunku do organizmów wodnych, łatwo ulęgają biodegradacji jeżeli ich stężenie nie zabije mikroorganizmów. Łatwo reagują ze związkami nieorganicznymi. Pochodzą głównie ze ścieków przemysłowych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)

WWA - związki mające co najmniej dwa pierścienie aromatyczne z 2 atomami węgla wspólnymi dla obu pierścieni. Powstają podczas przeróbki (niepełnego spalania) paliw głównie węgla i ropy naftowej. Zaliczane są do związków syntetycznych choć pewne organizmy potrafią syntezować WWA - znikome ilości. Najważniejszymi źródłami WWA, które zanieczyszczają wody naturalne są:

• Pyły i sadze opadające z powietrza i osadzające się na ziemi

• Spływ powierzchniowy z dróg smołowych, asfaltowych, ścierani się asfaltu, opon, emisja spalin samochodowych

• Ścieki z przemysłu węglowego, naftowego, kopalnianego

• Ogrzewanie i produkcja energii

• Spalanie paliw

• Odcieki z wysypisk

• Ścieki i wody przemysłowe zawierające oleje i smary

Liczne WWA są w większym lub mniejszym stopniu rakotwórcze.

Zawartość WWA - ścieki ok. 1000mg/dm³

- wody powierzchniowe czyste 50 - 250 mg/dm³

Chlorowane związki organiczne

Łatwo rozpuszczalne chlorowane związki organiczne należą do najtrudniej usuwanych zanieczyszczeń. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne , jako związki hydrofobowe i trudno rozpuszczalne mogą być usuwane w pewnych ilościach, zależnych od stężenia WWA w wodzie powierzchniowej. Skuteczność infiltracji w usuwaniu substancji powierzchniowo czynnych, pestycydów i chlorowanych związków organicznych jest odwrotnie proporcjonalna do poziomu zanieczyszczenia wody powierzchniowej oraz środowiska glebowo skalnego, w którym przebiega proces.

25. Uboczne produkty dezynfekcji

Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy, takich jak chlor, podchloryn sodu, dwutlenek chloru, chloraminy, ozon, brom i jod. Środki chemiczne stosowane do dezynfekcji mają silne właściwości dezynfekcyjne oraz utleniające, dlatego podczas dezynfekcji wód zawierających subst. organiczne i nieorganiczne równolegle przebiegają procesy niszczenia mikroorganizmów patogennych oraz przemiany związków org. i nieorg. Większość produktów utleniania nieorganicznych składników wody najczęściej nie pogarsza jakości zdrowotnej wody, natomiast bardzo dużo produktów reakcji zw. org. z dezynfektantami ma właściwości toksyczne, mutagenne i teratogenne.Do oznaczania związków ubocznych stosuje się metody chromatograficzne.

CHLOROWANIE. Powstające produkty uboczne: trihalometany, kwasy halogenooctowe, halogenoketony, halogenonitryle, trichlorobenzeny, trichlorofenole, hydroksyfurany

Powstające halogenowe związki organiczne można podzielić na lotne (np. dichlorometan, chloroform, dichlorobromometan, bromoform, tetrachlorometan) i nielotne (np. haloketony, haloacetonitryle, halopochodne kwasów karboksylowych - najczęściej kw.octowego, haloaldehydy, ftalany, aminy). Do zw. o bardzo dużej toksyczności należy 3-chloro-4(dichlorometylo)-5-hydroksy- 2(5H0-furanon, zwany MX.

W celu obniżenia stężenia ubocznych produktów chlorowania stosuje się:

- inne utleniacze, takie jak ozon dwutlenek chloru,

- usuwanie z wody substancji organicznych (prekursorów) przed procesem utleniania,

- modyfikowanie procesu chlorowania przez dodatek amoniaku (chloraminowanie),

- adsorbowanie powstałych halogenów na filtrach węglowych.

---