книги / Химия водных растворов, природных и сточных вод

Плотность воды

При нормальных условиях (Т = 273 К и давлении 101 325 Па) плотность воды составляет 999,841 кг/м3, при стандартных условиях (Т = 298К (25 °С) и давлении 101 325 Па) плотность воды –

997,047 кг/м3.

Максимальную плотность вода имеет при температуре 277 К (4 °С) – 999,973 кг/м3.

Благодаря этому в зимнее время поверхностный слой воды охлаждается до 4 °С, и как более тяжелый, опускается ниже, вглубь водоема, вытесняя более легкие слои на поверхность. Затем снова будет охлаждаться только поверхностный слой, и формироваться слой льда. Так как лед легче воды, он будет оставаться на поверхности и препятствовать промерзанию водоемов. Лед обладает низкой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью строительного

войлока (λснега ≈ λстроит. войлок = 4,4·10–3 Вт/мК), что также обеспечивает защиту водоемов от промерзания.

Теплоемкость воды

Теплоемкость – количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества или моля вещества на 1 градус (Дж/г·К, Дж/моль·К).

Удельная теплоемкость воды при 0 °С составляет 4,19 Дж/г К, молярная теплоемкость – 75,3 Дж/моль К и значительно выше всех жидких и твердых тел, кроме жидкого аммиака NH3, что объясняется значительными затратами энергии на разрыв водородных связей между молекулами воды.

Благодаря высокой теплоемкости воды сглаживаются колебания температуры Мирового океана. Разность температур Мирового океана от экватора до полюса составляет в среднем 30 К.

Теплота плавления (кристаллизации) воды

Теплота плавления – количество теплоты, необходимой для плавления единицы массы или моля вещества (кДж/г, кДж/моль).

Теплота кристаллизации – количество теплоты, выделяемой при кристаллизации единицы массы или моля вещества (кДж/кг, кДж/моль).

11

Вода имеет аномально высокое значение теплоты кристаллизации и плавления льда среди жидких и твердых тел. Теплота плавления ∆Нпл составляет 6,01 кДж/моль при 273К.

При замерзании 1 м3 воды выделяется количество теплоты, соизмеримое с теплотой сжигания 10 кг угля. В природе это явление способствует формированию климатических зон, сглаживанию сезонных температурных переходов, растягиванию их во времени.

Теплота испарения

Теплота испарения – тепло, затрачиваемое на испарение единицы массы или моля вещества (кДж/кг, кДж/моль).

Теплота испарения воды составляет 40,683 кДж/моль при 373 К. С поверхности морей, океанов, суши испаряется за год 520 000 км3 воды в год. Наибольшая часть поступающей на Землю солнечной энергии расходуется на испарение воды, что препятствует перегреву поверхности. При конденсации паров воды выделяемое тепло равномерно распределяется по регионам планеты.

Поверхностное натяжение воды

Поверхностное натяжение жидкости (σ, Дж/м2) определяется отношением избыточной поверхностной энергии (внутренней энергии) к единице поверхности тела и характеризует энергию межмолекулярного взаимодействия.

Вода обладает аномально высоким значением величины поверхностного натяжения (σ) и при 298 К составляет 71,9·10–3 Дж/м2. Например, поверхностноенатяжениебензинасоставляет23·10–3 Дж/м2.

Высоким поверхностным натяжением воды объясняются такие явления, как выпадение капель росы, образование атмосферных осадков в виде дождя (дождевых капель), появление ряби на воде при слабом ветре.

Прозрачность воды

Прозрачность – показатель, характеризующий способность среды или материала пропускать свет. В гидрологии под прозрачностью понимают отношение интенсивности света, прошедшего через слой воды, к интенсивности света, входящего в воду. Прозрачность зависит от содержания в воде различных взвешенных примесей, окрашенных веществ.

12

Благодаря высокой прозрачности вода способствует проникновению в объем света различных длин волн. УФ лучи легко проходят через воду, что способствует развитию жизни на дне морей и океанов.

Диэлектрическая проницаемость воды

Диэлектрическая проницаемость (ε) характеризует диэлектрические свойства среды и показывает, во сколько раз силы взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость жидкой среды ε определяет полярность растворителя, его растворяющую способность, возможность протекания в среде процессов электролитической диссоциации. Диэлектрическая проницаемость воды 78,3 при T = 298 К. Вода – сильнейший полярный растворитель.

Вопросы для самоконтроля

1.Объясните причину появления ряби на воде.

2.По какой причине Мировой океан считается главным аккумулятором тепла на нашей планете?

3.Благодаря какому аномальному свойству воды водомерка способна передвигаться по поверхности воды?

4.Благодаря какому свойству воды природные воды представляют собой растворы?

5.Как влияет аномально высокая теплота плавления воды на формирование климата?

1.3. Основные химические свойства воды

Вода является химически активным веществом и может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, реакциях присоединения.

Рассмотрим основные химические свойства воды.

Взаимодействие воды с металлами

Вода взаимодействует со щелочными и щелочноземельными металлами (металлами первой и второй группы главной подгруппы таблицы химических элементов им. Д.И. Менделеева, кроме Mg)

13

с образованием щелочей и выделением водорода, проявляя окислительную способность:

2Na + 2H2O = H2+ 2NaOH

Сa + 2H2O = H2+ Ca(OH)2

При высоких температурах (300–600 °С) вода может взаимодействовать с железом:

3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4

Взаимодействие воды с оксидами металлов

Вода взаимодействует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов (металлов первой и второй группы главной подгруппы таблицы химических элементов им. Д.И. Менделеева, кроме Mg) с образованием щелочей:

K2O + H2O = 2KOH, СaO + 2H2O = Ca(OH)23

Взаимодействие воды с неметаллами

Вода способна взаимодействовать с некоторыми неметаллами: углеродом С, кислородом, галогенами (F2, Cl2, Br2, I2), фосфором по окислительно-восстановительному механизму:

C + H2O (пар) = H2 + CO при нагревании

4F2+ 3H2O = F2O + 6HF + O2

Cl2 + H2O = HCl + HClO

Р + H2O = РН3 + НРО2

H2O + О2 = H2O2 – пероксид водорода (при нагревании).

При высоких температурах осуществляется конверсия метана, оксида углерода водяным паром:

CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2

СО + H2O = СО2 + H2

14

Взаимодействие воды с оксидами неметаллов:

Вода взаимодействует с кислотными оксидами с образованием кислот:

SO2 + H2O = H2SO3 (сернистая кислота)

SO3 + H2O = H2SO4 (серная кислота)

CO2 + H2O = H2CO3 (угольная кислота)

NO2+ H2O = HNO3 + HNO2

(азотная кислота) (азотистая кислота)

Вода участвует в электрохимических процессах (электролиз воды под действием постоянного электрического тока):

Катодный процесс: 2H2O + 2e = H2 + 2OH– Анодный процесс: 2H2O – 4e = O2 + 4H+ Электролиз воды: 2H2O = 2Н2 + O2

Вода способна образовывать гидраты:

кристаллогидраты солей:

CuSO4 + 5 H2O = CuSO4·5H2O

(безводный сульфат меди – вещество белого цвета) (кристаллогидрат – медный купорос – синие кристаллы)

FeSO4 + 7 H2O = FeSO4·7H2O (железный купорос);

гидраты:

H2SO4 + H2O = H2SO4·H2O (гидрат серной кислоты) NaOH + H2O = NaOH· H2O (гидрат едкого натра)

Вода участвует в процессах фотосинтеза с образованием углеводов и кислорода:

6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6nO2

15

Вопросы для самоконтроля

1.Напишите химическое уравнение реакции взаимодействия воды с калием.

2.Напишите химическое уравнение реакции взаимодействия воды с оксидом фосфора (V).

3.Напишите химическое уравнение реакции взаимодействия воды с оксидом натрия.

4.Напишите химическое уравнение реакции взаимодействия воды с хлором.

5.Напишите процессы электролиза воды.

16

2. СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Все природные, сточные, поверхностные и дренажные воды представляют собой водные растворы. Рассмотрим более подробно основные свойства водных растворов.

2.1. Основные теоретические аспекты процесса растворения

Раствор представляет собой гомогенную смесь (жидкую, твердую или газообразную), состоящую из двух или более компонентов, а также продуктов их взаимодействия, которые могут меняться в определенных пределах.

Рассмотрим свойства двухкомпонентных жидких растворов. Раствор – это дисперсная система, в которой дисперсной сре-

дой является жидкость (растворитель), дисперсионной фазой – растворенное вещество.

Способность одного вещества растворяться в другом зависит от природы вещества, растворителя, температуры и давления.

Под растворимостью вещества понимают концентрацию в его насыщенном растворе и выражают обычно в г/100 г растворителя при заданной температуре.

Насыщенный раствор – раствор, находящийся в устойчивом равновесии с растворенным веществом при заданных условиях.

В водных растворах растворителем является вода.

Сточные и природные воды представляют собой разбавленные водные растворы, т.е. их концентрации значительно ниже растворимости.

При растворении веществ протекают сложные физико-хими- ческие процессы, которые описывают с позиций двух основных теорий: физической теории растворов и химической теории, предложенной Д.И. Менделеевым.

Физическая теория растворов рассматривает раствор как фи-

зическую смесь компонентов, в которой отсутствует взаимодействие между молекулами растворителя и растворенным веществом.

17

С позиций физической теории возможно описание свойств газовых растворов, например воздуха, а также разбавленных растворов неэлектролитов в слабополярных растворителях.

Процессы растворения твердых веществ, газов в воде – полярном растворителе наиболее целесообразно описывать с позиций хи-

мической (сольватной) теории растворов.

В соответствии с основными положениями теории при растворении происходит химическое взаимодействие молекул растворителя с растворенным веществом (сольватация) с образованием сольватированных комплексов. Если растворителем является вода, такие комплексы получают название «гидратированные комплексы».

Процесс растворения сопровождается тепловыми эффектами, величина которых зависит от природы растворителя и растворенного вещества.

Согласно химической теории растворение можно представить как многостадийный процесс, основными стадиями которого являются:

– разрушение химических и межмолекулярных связей в растворенном веществе (Г, Ж, Т), которое сопровождается поглощением энергии (эндотермический эффект, H1 > 0);

– гидратация – взаимодействие растворенного вещества с молекулами растворителя – водой, сопровождающееся выделением энергии (экзотермический эффект, H2 <0).

Общий тепловой эффект растворения (теплота растворения):

H = H1 + H2

При растворении большинства солей основной стадией процесса является разрушение кристаллической решетки, что требует значительных затрат энергии. Процесс растворения – чаще всего эндотермический, и растворимость большинства солей повышается с повышением температуры.

Расчет энергии и теплоты гидратации может быть проведен на основе экспериментально определенной теплоты растворения и значений энергии кристаллической решетки (при растворении кристал-

18

лических тел, например, солей) или энергий связи в молекуле растворенного вещества.

Например, теплота гидратации хлорида натрия составляет

–768,7 кДж/моль.

При растворении газов в воде теплота растворения определяется тепловым эффектом образования гидратированных молекул газа, так как затраты энергии на разрушение межмолекулярных связей в газах незначительны. Процесс чаще всего сопровождается выделением тепла ( H <0).

Одной из важных характеристик раствора является его концентрация.

2.2. Способы выражения концентрации растворов

Массовая доля растворенного вещества (ω, доля ед., %) ха-

рактеризует отношение массы растворенного вещества (mB) к массе раствора (m):

А – растворитель, В – растворенное вещество.

где mA и mB – масса растворителя и растворенного вещества (г). Часто известен объем раствора (см3), в этом случае массовую

долю растворенного вещества определяют по соотношению

где ρ – плотность раствора, г/см3.

Мольная доля компонента в растворе (хВ) характеризует от-

ношение числа молей растворенного вещества к сумме молей всех компонентов в растворе. Для двухкомпонентного раствора

где nA и nB – мольные доли растворителя и растворенного вещества в растворе.

Молярная концентрация (СМ, моль/дм3) характеризует отно-

шение количества молей растворенного вещества к объему раствора

(дм3):

где МВ – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Моляльная концентрация или моляльность (m, моль/кг) харак-

теризует количество молей растворенного вещества в кг растворителя:

Молярная концентрация эквивалента, нормальная концентра-

ция (Сн, моль/дм3) – отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора,

где nэкв – количество эквивалентов растворенного вещества В, моль; Мэкв – молярная масса эквивалента растворенного вещества (г/моль).

Вобменных реакциях под количеством эквивалента вещества понимают количество вещества, способное взаимодействовать (замещать, присоединять) с 1 г/молем атомов водорода.

Промилле (тысячная доля) – количество граммов растворенного вещества в 1 кг раствора.

Внастоящее время концентрации загрязняющих веществ в воде выражают также в ед. ppm, млн–1. Концентрация характеризует количество мг растворенного вещества в 1 кг раствора.

20