Ответы на вопросы: Ответы физико-химические процессы в техносфере

31.Химический состав природных вод.Пресная и соленая вода.Главные ионы, раствореные газы,газовая фаза, твердые частицы,биогенные вещества,микроэлементы в воде.Кислотность вод в объектах гидросферы.

Классификация по химическому составу

В подавляющем большинстве случаев солевой состав природных вод определяется катионами Са²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, К⁺ и анионами НСO₃^-, Сl^- , SO₄^2-. Эти ионы называются главными ионами воды или макрокомпонентами; они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значительно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют химический тип воды.
Классификация природных вод по химическому составу, предложенная О. А. Алекиным

По преобладающему аниону воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Воды каждого класса делятся, в свою очередь, по преобладающему катиону на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа подразделяется на 4 типа по соотношению содержащихся в воде ионов (в эквивалентах). При этом класс природных вод обозначается символом соответствующего аниона: С — НСО₃^-, S — SO₄^2-, Сl — Сl^-; группа: символом катиона: К⁺, Na⁺, Са²⁺, Мg²⁺; тип - римской цифрой.
Формула воды записывается следующим образом. К символу класса добавляется нижний индекс - значение минерализации (с точностью до 0,1 г/л ), к символу группы - верхний индекс - значение общего катионного состава (с точностью до целых единиц вещества в ммоль/л),
например: С_1,2 Nа^0,5 - гидрокарбонатно-натриевая вода с общей минерализацией 1,2 г/л и преобладающей концентрацией гидрокарбонатных ионов и ионов натрия.
В природных водах присутствуют также растворенные газы. В основном это газы, которые диффундируют в воды из атмосферы воздуха, такие как кислород, углекислый газ, азот. Но в то же время в подземных водах или водах нецентрализованных источников водоснабжения, в минеральных и термальных водах могут присутствовать сер водород, радиоактивный газ радон, а также инертные и другие газы.
В табл. 1.13 представлены ионы, наиболее часто встречающиеся в природных водах.\

ВОДА ПРЕСНАЯ — все природные воды с минерализацией до 1 г/л (г/кг); преобладают гидрокарбонатные, реже сульфатные и очень редко хлоридные.

Соленые воды океанов и морей составляют 97,5% , а пресная 2.5%. Но учитывая также, что 75% всей пресной воды «заморожено» в полярных шапках и горных ледниках, еще 24% составляют грунтовые воды под землей, а еще 0.5% «рассредоточено» в почве в виде влаги, то получается, что самые доступные и дешевые источники воды – реки, озера и другие водоемы приходится чуть больше 0.01% мировых запасов воды.

1. Главные ионы (макрокомпоненты), к которым относятся К+, Na+,Mg2+, Са2+, Cl-, SO42-, HCO3- (CO32-).
Содержание их в пресных поверхностных водах изменяется в широких пределах. Главные ионы поступают в природные воды из горных пород, минералов, почвы, а также в результате производственной деятельности человека.
2. Растворенные газы (О2, N2, H2S, CH4 и др.).
Концентрация газов в воде определяется температурой воды.
3. Биогенные вещества, главным образом соединения азота и фосфора.
Их концентрация в пресных поверхностных водах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются внутриводоемные процессы и поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами.
4. Микроэлементы.
В эту группу входят все металлы, кроме главных ионов и железа (Сu2+, Мn2+, другие ионы переходных металлов), а также анионы (Br-, F- и др.), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях.
5. Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, органические формы биогенных элементов.
Эта группа веществ включает различные органические соединения: органические кислоты, спирты, альдегиды, сложные эфиры, фенолы, гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины) и т.д. Для количественной характеристики РОВ используют косвенные показатели: общее содержание Сорг, Nopr, перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кисло¬рода (БПК).
6. Токсичные загрязняющие вещества - тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и т.д.
Природная вода - принципиально негомогенная среда из-за присутствия в ней большого числа взвешенных частиц и пузырьков газа. Взвешенные твердые частицы в природных водах могут разли¬чаться по размерам:

·   Коллоиды 0,01-1 мкм

·   Седиментарные (оседающие) частицы состоят из минерального ядра и органического слоя, т.е. представляют собой органоминеральный комплекс 1-3 мкм

·   Вирусы 0,01-0,03 мкм

·   Бактерии 0,5 мкм

·   Микроводоросли 1-30 мкм

·   Молекулы 0,001 мкм

·   Макромолекулы 0,01 мкм

Помимо твердых частиц и пузырьков газа толща природных вод пронизана множеством микроорганизмов, образующих отдельную фазу биоты, находяющуюся в динамическом равновесии с внешней средой.

32.Процессы окисления и восстановления в природных водоемах.Синглетный водород,озон,гидроксил радикал,пероксид водорода в природных водах.Окисление минеральных солей.Образование оксидов тяжелых металлов.

Окислительно-восстановительные реакции в природных водах определяются наличием в них окислителей, например кислорода, и восстановителей, например водорода. Окислением называется процесс отдачи электронов, а восстановлением - процесс их приобретения. Поскольку процесс окисления химического элемента сопровождается восстановлением окислителя, эта реакция и носит название окислительно-восстановительной.
Многие элементы (железо, марганец, хром, сера, кобальт и др.) способны изменять свою валентность, поэтому реакции окисления и восстановления играют значительную роль, переводя растворимые "соединения в нерастворимые и наоборот.
В процессах растворения почвенных минералов значительная роль принадлежит микроорганизмам. В процессе своей жизнедеятельности они используют энергию окислительно-восстановительных реакций, поэтому процесс называется биологическим выщелачиванием минералов.           Пероксид водорода— это вещество, H ₂O₂, открыто в 1818 г. Тенаром, который получил его при действии разведенной соляной кислоты на П. бария: ВаО ₂ + 2HCl = BaCl₂ + H₂O₂;простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H₂O₂•2H₂O. Пероксид водорода обладает окислительными, а также восстановительными свойствами. Он окисляет нитриты в нитраты, выделяет иод из иодидов металлов, расщепляет ненасыщенные соединения по месту двойных связей. Пероксид водорода восстанавливает соли золота и серебра, а также кислород при реакции с водным раствором перманганата калия в кислой среде. При восстановлении Н₂O₂ образуется Н₂O или ОН-, например: Н₂О₂ + 2KI + H₂SO₄ = I₂ + K₂SO₄ + 2H₂O . При действии сильных окислителей H₂O₂ проявляет восстановительные свойства, выделяя свободный кислород: O₂²⁻ — 2e⁻ → O₂

33.Реакции окисления алканов,алкснов,кислотосодержащих углеводородов. Окисление ароматических углеводородов.Образование токсичных соединений.

Алканы - соединения с низкими степенями окисления углерода, и в зависимости от условий реакции они могут окисляться с образованием различных соединений.

При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н₂Cr₂O₇, KMnO₄ и т.п.). При внесении в открытое пламя алканы горят. При этом в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО₂, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С-С и С-Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

Примеры:

Ароматические углеводороды — это органические вещества, характеризующиеся присутствием в их молекуле бензольного кольца — циклической группировки из шести атомов углерода с тремя двойными связями. К числу ароматических углеводородов принадлежат бензол и его производные (толуол, ксилол и др.), нафталин и его производные и др.

Наибольшей стабильностью обладают ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями; они окисляются с образованием продуктов уплотнения. При увеличении длины цепей, как правило, снижается стабильность.

34.Влияние микроорганизмов на процессы окисления - восстановления.Аэробные и анаэробные микроорганизмы.Ферменты - каталезаторы окислительных процессов:оксидаза, оксигеназа, пероксидаза, каталаза и дисмутаза.

Аэробный процесс

С₆Н₁₂О₆ +6О₂ --> 6СО₂ +6Н₂О + микробная биомасса + тепло

  Анаэробный процесс

С₆Н₁₂О₆ --> 3СН₄ + 3СО₂ + микробная биомасса  + тепло

35.Аэробный биолиз алканов, алкенов, кислородсодержащих и галогенсодержащих углеводородов,ароматических углеводородов.

Алка́ны (также насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения) — ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые связи и образующие гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+2.

36.Анаэробная среда.Условия образования в водных объектах активного ила с восстанавливающими свойствами.Сульфатредуцирующие микроорганизмы.Восстановление нитратов в иловых водах.Образование метана и мочевины.

Активный ил - совокупность микроорганизмов, обеспечивающих очистку сточной воды от находящихся в ней органических загрязнений.                                   Анаэробный процесс - процесс биохимического окисления, происходящий в отсутствии кислорода, при анаэробном процессе кислород, необходимый для окисления, бактерии получают из окисленных соединений азота.

Условия проведения процесса(активного ила

наличие в сточной жидкости и оптимальное соотношение органического углерода, биогенных элементов (азота и фосфора) и микроэлементов (серы, марганец, железо, кобальт и др.); соблюдение предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ; отсутствие в сточной жидкости токсичных для микроорганизмов веществ; достаточное количество кислорода и интенсивность аэрации; оптимальный температурный режим;нагрузка на ил по количеству загрязняющих веществ;  время контакта ила и сточной жидкости; конструктивные особенности сооружений и биологической схемы очистки; и т. д.

БАКТЕРИИ СУЛЬФАТВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ (СУЛЬФАТРЕДУЦИРУЮЩИЕ) — гр. строго анаэробных микроорганизмов, восстанавливающих сульфаты до сероводорода (см. Десульфатизация вод). Б. с. используют в качестве источника энергии окисление орг. веществ или молекулярного водорода. В последнем случае они частично пользуются автотрофной системой питания. Широко распространены в природе (в солоноватоводных водоемах, в подземных водах, в м-ниях нефти, серы, сульфидных руд и пр.), участвуя прямо или косвенно в образовании сероводорода, самородной серы, пирита, сернистых соединений нефти и др. Процесс восстановления сульфатов в биосфере в подавляющем большинстве случаев связан с деятельностью Б. с. Являются активным агентом фракционирования изотопов серы в природе. Син.: бактерии десульфатизирующие, бактерии десульфирующие (десульфурирующие). Последние два синонима неточны, так как специфика процесса, осуществляемого Б. с., состоит не в удалении серы (десульфуризации), а в восстановлении сульфатов (десульфатизации).

38.Гидролиз солей и органических соединений.Гидолиз пестицидов.Каталический гидролиз в присутствии кислот и щелочей.

Гидро́лиз (от др.-греч. ὕдщс — вода и лэуйт — разложение) — один из видов химических реакций сольволиза, где при взаимодействии веществ с водой происходит разложение исходной молекулы с образованием новых соединений. Гидролизу подвергаются соединения различных классов: соли, углеводы, белки, сложные эфиры, жиры и др.

Гидролиз солей Взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию молекул слабого электролита, называют гидролизом солей.

Различают несколько вариантов гидролиза солей:

· 1. Гидролиз соли слабой кислоты и сильного основания:

Na₂CO₃ + Н₂О = NaHCO₃ + NaOH

CO₃²⁻ + H₂O = HCO₃⁻ + OH⁻

(раствор имеет щелочную среду, реакция протекает обратимо)

· 2. Гидролиз соли сильной кислоты и слабого основания:

CuCl₂ + Н₂О = CuOHCl + HCl

Cu²⁺ + Н₂О = CuOH⁺ + Н⁺

(раствор имеет кислую среду, реакция протекает обратимо)

· 3. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

2Al³⁺ + 3S²⁻ + 6Н₂О = 2Al(OH)₃(осадок) + ЗН₂S(газ)

(Гидролиз в этом случае протекает практически полностью, так как оба продукта гидролиза уходят из сферы реакции в виде осадка или газа).

Соль сильной кислоты и сильного основания не подвергается гидролизу, и раствор нейтрален. См. также Электролитическая диссоциация.