ODNOWA WODY WYKŁAD 1 Zarys wiadomoci o wodzie: 1. Elementy hydrologii 2. Właciwoci chemiczne 3. Właciwoci fizyczne
Obieg wody w przyrodzie
1. Elementy hydrologii Hydrosfera Obiegi wody w przyrodzie Znaczenie wody w przyrodzie
Bilans wodny globu ziemskiego Obieg wody w hydrosferze P= 577000km 3 E= 577000km 3 Faza oceaniczna P= 458000 E= 505000 Faza kontynentalna P=119000 E= 72000
One estimate of global water distribution: Water source Water volume, in cubic miles Water volume, in cubic kilometers Percent of freshwater Percent of total water Oceans, Seas, & Bays 321,000,000 1,338,000,000 -- 96.5 Ice caps, Glaciers, & Permanent Snow 5,773,000 24,064,000 68.7 1.74 Groundwater 5,614,000 23,400,000 -- 1.7 Fresh 2,526,000 10,530,000 30.1 0.76 Saline 3,088,000 12,870,000 -- 0.94 Soil Moisture 3,959 16,500 0.05 0.001 Ground Ice & Permafrost 71,970 300,000 0.86 0.022 Lakes 42,320 176,400 -- 0.013 Fresh 21,830 91,000 0.26 0.007 Saline 20,490 85,400 -- 0.006 Atmosphere 3,095 12,900 0.04 0.001 Swamp Water 2,752 11,470 0.03 0.0008 Rivers 509 2,120 0.006 0.0002 Biological Water 269 1,120 0.003 0.0001 Total 332,500,000 1,386,000,000-100
ROZMIESZCZENIE WODY NA ZIEMI Rodzaj wody Objto(km 3 ) morska jezior słodkowodnych jezior słonowodnych rzeczna podziemna lodowce para wodna 1.4 10 9 1.3 10 5 1.0 10 5 1.3 10 3 8.4 10 6 2.9 10 7 1.3 10 4
Pochodzenie wody
OBŁOK MIDZYGWIEZDNY Gsto 10 5 at/m 3 Skład H 2 He C,O 2,N 2 inne 73 % 25 % 1 % 1 % Inne Fe Al x Si y O 2 H n (Fe,Mg) 50 % 50 %
Powstawanie atmosfery i oceanów Promieniowanie jonizujce Słoca II prdkokosmiczna- 11,4 km/s -dla rozproszenia gazów prd.uciecz wynosi ok.3km/s -w temp. 1000 0 C nast. utrata gazów o m.mol<40 Atmosfera ziemska utworzyła si wtórnie -z czego? -z odgazowania materiału magmowego w płaszczu! - chondryty - 0,5% H2O - skorupa ziemska 4 10 27 g - woda w skorupie ziemskiej 2 10 26 g - woda w hydrosferze 1,5 10 24 g - wystarczajca ilowody
2. Chemia wody 2.1. Budowa czsteczki wody
H 2 O 1 1 H 1s 1 H O 16 8 O 1s 2 2s 2 2p 2 p Z Y p 1 Z H Teorie - VB (LONDON, PAULING - 1925) - MO (HUND, MILLIKEN - 1930)
G = H - ΤDS
1s 2 2s 2 2px 2 py 1 pz 1. H : :. H
HYBRYDYZACJA sp 3 H O l = 0,096 nm H O α = 104 40 α H
ELEKTROUJEMNO (E) E tlenu = 3,5 E wodoru = 2,1 = 1,4 H O wizanie atomowe ~40% charakt. jonowy
2.2. Wizania wodorowe H F H F H F H F liniowe H O H H O H O H O H przestrzenne H H H O H
Boiling Points (ºC) of Selected Elements and Compounds Increasing Size Atomic Ar (40) -186 Kr (83) -153 Xe (131) -109 Molecular CH 4 (16) -161 (CH 3 ) 4 C (72) 9.5 (CH 3 ) 4 Si (88) 27 CCl 4 (154) 77 Molecular Shape Spherical: (CH 3 ) 4 C (72) 9.5 (CH 3 ) 2 CCl 2 (113) 69 (CH 3 ) 3 CC(CH 3 ) 3 (114) 106 Linear: CH 3 (CH 2 ) 3 CH 3 (72) 36 Cl(CH 2 ) 3 Cl (113) 121 CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 (114) 126 Molecular Polarity Non-polar: H 2 C=CH 2 (28) 104 F 2 (38) -188 CH 3 CCCH 3 (54) -32 CF 4 (88) -130 Polar: H 2 C=O (30) -21 CH 3 CH=O (44) 20 (CH 3 ) 3 N (59) 3.5 (CH 3 ) 2 C=O (58) 56 HCN (27) 26 CH 3 CN (41) 82 (CH 2 ) 3 O (58) 50 CH 3 NO 2 (61) 101
Właciwoci fizyczne i chemiczne wody T t T w 100 H2O Temperatura topnienia i wrzenia wodorków pierwias. VI gr. układu okresowego w zalenoci od masy czsteczkowej 0 H2Te -4-100 H2Se H2S -42-51 -61-64 -82 H 2 O H 2 S H 2 Se H 2 Te 0 40 80 120 160 M. czsteczkowa (M. molowa)
Zalenostruktury i gstoci wody od temperatury
Fizyczne właciwoci wody Temper. Masa Cinienie Lepko Napicie właciwa czstkowe p.n. dynamiczna powierzchn. C kg m -3 N m -2 10-3 N sm -2 10 3 N m -1 10 3 0 5 10 15 20 25 35 50 75 100 999,87 999,99 999,73 999,13 998,23 997,07 994,06 988,07 974,89 958,38 0,6107 0,8721 1,2277 1,7049 2,3378 3,1676 5,6237 12,3380 31,1660 101,3250 1,787 1,519 1,307 1,139 1,002 0,890 0,719 0,547 0,378 0,282 75,64 74,92 74,22 73,49 72,75 71,97 70,37 67,91 63,50 58,90
ROZTWORY
2.3. Substancje rozpuszczone formy substancje rozpuszczalno formy rozpuszcz. NaCl + jony AgCl jony C 6 H 12 O 6 + czsteczki CH 3 COOH jony
2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.) stenia rodzaj jednostka masa / objto kg/m 3 (kg m -3 ), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb molarno mol/dm 3 (M) normalno równowanik/dm 3 (N)
2.3. Substancje rozpuszczone (c.d.) stenia rodzaj jednostka masa / objto kg/m 3 (kg m -3 ), mg/l masa / masa mg/kg, ppm, ppb molarno mol/dm 3 (M) normalno równowanik/dm 3 (N) ładunek jonów przeliczanie jednostek i ste
3.4. Masa właciwa (gstog) zalenood temperatury g (g/cm 3 ) 1.000 0.990 0 4 8 T ( C) masa właciwa roztworów rzeczywistych g r = 0,75 S g - m.w. roztworów (kg/m 3 ) S - stenie wagowe soli (kg/m3) g - przyrost g
3.4. Masa właciwa (gstog) (c.d.) masa właciwa roztworów z zawiesin (g z ) g z = m v = p 100 m g s m + 100 100 p m g g - m.w. wody p - stenie zawiesiny (%) g s - m.w. zawiesiny po wysuszeniu g z = 1- p 100 g 1-1 S g S g = g g s
2.4. Materia organiczna ChZT Cr RWO (CWO) ChZT Mn BZT 5
2.5. Reakcje chemiczne nieodwracalne A + nb ABn [ A] d dt = k k = f = [ A] a [ b] b ( ) -( Ea/RT) t A e
2.5. Reakcje chemiczne (c.d.) odwracalne (ogólne) aa + bb cc = dd v s = k 1 [A] a [B] b v p = k 2 [C] c [D] d v s = v [ ] c [ ] d p k1 C D = K = k [ A] a [ B] b 2
2.5. Reakcje chemiczne (c.d.) odwracalne (rozpuszczanie) A a B b(s) aa b+ + bb a- K = [ ] [ ] b+ a a- A B [ A a B b ] s b K IR = [ ] [ ] b+ a a- A B b zwykle lg IR Fe(OH) 3 Fe 3+ + 3OH - Al(OH) 3 Al 3+ + 3OH - Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2OH - CaO 3 Ca 2+ + CO 2-3 lg IR -38-33 -14-8
2.5. Reakcje chemiczne (c.d.) odwracalne (dysocjacja czsteczki wody) H 2 O H + - OH - K = [ H ][ OH ] + - H 2 O K[H 2 O] = IJ = [H + ] [OH - ] = 10-14 [OH - ] = [H + ] = 10-7 - lg[h + ] = ph = 7
3. Fizyka wody 3.1. Lepko(opór przy przepływie) ruch laminarny = v = dv dy ruch burzliwy = dv dy τ - siła cinajca (N m -2 ) µ - lepkodynamiczna (Nsm -2 ) ρ - gsto v - lepkokinematyczna (m 2 s -1 ) ε - lepkoturbulentna ε» µ
3.3. Cinienie czstkowe pary (p ) H 2 O H 2 O (g) H 2 O (c)
gaz = CO2, N2, O2, Ar, CH4, DDT, PCB`s... p (gaz) c (woda) c p = const
3.5. Rozpuszczalnogazów c g = H p (mol/dm 3 ) p - cinienie czstkowe w atmosferze c g - stenie gazu w wodzie H - stała proporcjonal. (Henryego) c g = B p (mg/dm 3 ) B - stała proporcjonal. (Bunsena)
Rozpuszczalnogazów A (g) A (aq) K = [A (aq) ] / [A (g) ] A A A ( aq) ( g) ( aq) = = = K K RT K A P P ( aq) H A A A ( ) g = PA RT K H - stała Henry ego A (aq) - [mol/litr]
Zawartogazu w wodzie morskiej jednostki cm 3 /dm 3 mg/dm 3 ml/l
Współczynnik rozpuszczalnoci Bunsena α A mol l 22.400 ml mol ml = 22400 SW l SW A (aq) = K H P A [mol/l] = K H 22.400 P A [ml/l] α A
3.2. Napicia powierzchniowe (na granicy faz) N m m 2 N m podsik kapilarny
WODA w PRZYRODZIE
3. Rozmiary dodatków do wody S. nieorg. Makroczst. Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony Pierwotniaki Oko Mikroskop opt. Mikroskop elek. φ (µm) 10-4 -3-2 -1 0 1 1 2 3 Filtracja Filt. membr u-filtr n-filtr Osmoza
1. ZUYCIE WODY W POLSCE (km 3 /rok) Przemysł 11.5 Rolnictwo 3.0 Ludno 2.5
2. RÓDŁ A WODY Ujcia wody powierzchniowej: 70 % Ujcia wody wgłbnej: 30%
Woda H 2 O
Woda w przyrodzie zawiesiny mikrofauna zw. organiczne wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan CH 4 ; H 2 S H 2 O twardo metale CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno Woda w przyrodzie
filtracja (powolna) cedzenie sedymentacja dezynfekcja napowietrzanie wirusy bakterie zapach rolinny elazo, mangan mikrofauna CH 4 ; H 2 S zawiesiny H 2 O twardo metale zw. organiczne sedymentacja filtracja (szybka) CO 2 agresywny zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno koagulacja wizanie chemiczne sorpcja utlenianie
cieki wirusy bakterie elazo, metale mikrofauna CH 4 ; H 2 S zawiesiny H 2 O twardo INNE N, P zapach nadmierny ChZT pestycydy barwa i mtno Metody -chemiczne -biologiczne cieki
1. Obieg Wody 2. Pochodzenie Wody 3. Budowa czsteczki. Własciwoci chemiczne 4. Własciwoci Fizyczne 5. Roztwory, Własciwoci. Prawa 6. Woda w przyrodzie