les24 (Лекции по Химии 1 курс 1 семестр Ланская И.И. (2017))

Лекция 24ХИМИЯ ВОДЫПлан лекции1. Введение. Роль воды в природе и жизни человека.2. Физические и химические свойства воды. Аномальные свойства воды –следствие структуры ее молекулы.3. Состав природных вод. Классификация примесей.4. Основные технологические показатели воды: солесодержание,жесткость, щелочность. Определение общей, карбонатной инекарбонатной жесткости.5. Основные методы очистки природных и сточных вод: грубая и глубокаяочистка.6. Выводы.ВведениеВода Н2О - наиболее распространенное соединение на Земле,главное химическое вещество в природе.Вода покрывает 4/5 земной поверхности.Общий запас воды на Земле - 1,4.1018 тонн,основная часть - 97,2 % приходится на Мировой океан.Остальные запасы воды распределены следующим образом (%):- ледники и ледниковые шапки - 2,15;- подземные воды - 0,625;- пресные озера и реки – 9.10-3;- соленые озера и внутренние моря – 8.10-3;- атмосфера – 10-3;- реки – 10-4.Запасы пресной воды, доступной для использования, составляют всего 0,15 %объема гидросферы (около 0,2 млн.

км3).Пресные природные воды применяются в сельском хозяйстве (около 82%), вбыту (около 10%), в промышленности (около 8%)Вода - единственное соединение – существует в трех агрегатных состоянияхв природных условиях.Вода входит в состав многих минералов, горных пород и почвы.Тело человека на 2/3 состоит из воды, пищевые продукты > 90%.Вода играет исключительно важную роль в природе, в жизнедеятельностирастений, животных и человека, в технике, сельском хозяйстве и медицине, втехнологических процессах в различных отраслях народного хозяйства.На тепловых и атомных электростанциях вода - основное рабочее вещество теплоноситель, охлаждающий агент, рабочее тело;на гидроэлектростанциях - носитель механической энергии.Исключительная роль воды в природе и технике - следствие ееудивительных свойств.Физические свойства воды.Температура плавления воды 0°С,Температура кипения- 100°С,Плотность при 20°С — 0,998 г/см3, макс.

при 4 °С— 1,0 г/см3Диэлектрическая проницаемость ξ – 78,5 при 298 КЭнтальпии плавления ΔН0пл= 5,99 кДж/мольЭнтальпия испарения ΔН0исп= 40,66 кДж/мольУдельная теплоемкость сР= 4,18 Дж/моль.КПоверхностное натяжение σ= 58,8 Дж/м2Аномальные свойства водыСвойства воды существенно отличаются от свойств водородных соединенийэлементов-аналоговVI группы (H2S, H2Se, Н2Те).Аномально высокие температуры кипения Ткип и плавления Тпл, энтальпииплавления ΔНпл и испарения ΔНисп →Вода при обычных условиях - жидкая, H2S, H2Se, Н2Те — газы.При кристаллизации (замерзании) плотность воды уменьшается →Водоемы не промерзают до дна зимой, сохраняется жизнь.Очень высокая диэлектрическая проницаемость ξ.При 298 К ξ для Н2О = 78,5; для H2S ξ < 10.Сильно полярная молекула (μН2О = 1,84D) → Вода – универсальныйрастворитель, особенно хороший для полярных и ионных соединений.Большая теплоемкость: в жару аккумулирует тепло, ночью отдает →важный регулятор климатических условий, теплообменных процессов.Высокое поверхностное натяжение → легко поднимается по капиллярнымсосудам, из земли – в корни, выше – к листьям.Структура молекулы водыАномальные свойства воды обусловлены: полярностью молекул, наличиемне поделенных пар электронов у атомов кислорода и образованиемводородных связей.O…2s22p4Н 1s1 Н 1s1Таким образом, молекулаводыможет быть представлена в видеравнобедренного треугольника, в вершине которого расположен атомкислорода, а в основании - два атома водорода.Две пары электронов обобществлены между атомами водорода и атомомкислорода – образуют две ковалентные полярные связи по обменномумеханизму.

Угол между связями ≈ 105о. Две свободные пары электроновнаправлены к двум другим вершинам тетраэдра (sp3–гибридизация орбиталейкислорода).Сильное смещение электронных пар от атомов водорода к атому кислорода +наличие двух неподеленных пар электронов у кислорода → образование 4–хводородных связей в каждой молекуле с соседними молекулами воды.Водородные связи пронизывают весь объем воды и обусловливаютассоциацию молекул воды в жидком состоянии, высокие температурыплавления и парообразования, высокую диэлектрическую проницаемость,максимальную плотность при 4оС, тетраэдрическую структуру льда малойплотности с большими пустотами.Клатраты – соединения включения.

Например, включения СН4.При плавлении происходит частичное разрушение структуры льда,сближение молекул → плотность воды возрастает.Но! Повышение температуры усиливает движение молекул → снижаетплотность. → выше 4оС последний эффект начинает превалировать иплотность воды понижается. Но! В жидкой воде молекулы ассоциированы,→ повышенная температура испарения воды и диэлектрическаяпроницаемость.При испарении воды ассоциаты разрушаются →водяной пар при невысоких давлениях состоит из свободных молекул Н2О.По мере повышения давления происходит ассоциация молекул и парприближается по своей структуре к жидкому состоянию.Химические свойства водыВажнейшие группы реакций:1.КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ:Вода частично диссоциирует на ионы водорода и гидроксида(самоионизация):Н2О ↔ Н+ + ОН-(Кд,298 = 2.10-16).Протон взаимодействует с Н20, образуя ион гидроксония Н30+Н2О + Н+ = Н30+2Н2О ↔ Н30+ + ОН-Суммарно:→Вода - амфотерное соединениет.е.

может быть как кислотой (донором протонов):NH3 + Н2О ↔ NH4+ + ОН-так и основанием (акцептором протонов):Н2О + НС1 ↔ Н3О+ + С1-2. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ:Вода может быть как окислителем, так и восстановителем.Сильные окислители - окисляют Н2О с выделением кислородаС хлором -Н2О + F2 = 2HF + ½ О2С12 + Н2О = НСlO + НС1Восстановитель – в биологических процессах:2Н2О → О2 + 4Н+ + 4еисточник кислорода и восстановитель фосфатных соединений прифотосинтезе АДФ→ АТФСильные восстановители - восстанавливают Н2О с выделением водородаА) вода окисляет металлы в ряду напряжений левее водорода:2Н2О + 2Nа = 2NаОН + Н2Н2О(пар) + Mg = MgО + Н2Б)Пароводяная коррозия:Н2О(пар) + Fe = FeО + Н2В)Реакции конверсииПри повышенных температурахС + Н2О = СО + Н2 – конверсия угляСО + Н2О = СО2 + Н2 (на Fe-катализаторе)СН4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2 (на: Ni- или Со-катализаторе) –конверсия метана - реакция получения водорода в промышленности3.

ГИДРАТАЦИЯ:Вода - хороший лиганд (донор электронных пар), координируется каккатионами [М(Н2O)m]n+, так и анионами [A(H2О)m]n-, образуя гидраты.4. ГИДРОЛИЗВода взаимодействует с анионами слабых кислот и катионами слабыхоснований - гидролиз солей:Fe3+ + H2O = FeOH2+ + H+гидролиз органических соединений:СН3СООС2Н5 + Н2О → СН3СООН + С2Н5ОНэтилацетатуксусная к-та5. Вода катализирует протекание многих реакций.этанолСостав природных вод –определяетсявзаимодействиемводысатмосферой,почвой,растительностью, минералами и различными породами при непрерывномкруговороте воды в природе.Природная вода - сложная многокомпонентная система, в составекоторой: растворенные в воде вещества, газы, дисперсные частицы имикроорганизмы.Примеси, при определенных концентрациях, могут вызвать коррозионныеразрушения оборудования, солевые отложения, быть опасными для человекаи животных.

→ Качество используемой воды нормируется:для питьевой воды и рыбоводства, в энергетике.ПДК (предельно допустимые концентрации): [мг/л, ppm (промилле)].Максимально допустимая концентрация ионовв питьевой воде (сmах, мг/л)ИонВе2+Se6+Pb2+As3+, As5+Mn2+cmax2.10-41.10-30,030,050,1ИонMo2+Fe2+, Fe3+Al3+FCu2+cmax0,250,250,50,7-1,51,0ИонPO43Zn2+N03ClS042-cmax3,55,045350500Сточные водыВода, использованная на производственные или бытовые нужды и получившаязагрязнения, которые изменили ее свойства, и подлежащая очистке или удалениюс данного объекта или населенного пункта, называется сточной.Расход чистой воды на Земле составляет около 40% речных стоков. Реки иморя загрязняются токсичными металлами, поверхностно-активнымивеществами, нефтепродуктами и т.д.Различают производственные, бытовые и сельскохозяйственные стоки.Виды производственных сточных вод в зависимости от назначения исходнойводы:а) реакционные воды, в которых вода является продуктом реакции;б) исходные воды, содержащиеся в сырье или реагентах, например водыуглей;в) маточные водные растворы, образующиеся в результате протеканияреакций в водных средах;г) промывные воды, образующиеся после промывки сырья, продуктовреакции и оборудования;д) охлаждающие воды, используемые для охлаждения аппаратови продуктов.Состав примесей производственных стоков разнообразен и зависит от типапроизводства.Наибольшее количество примесей – в сточных водах химической, горнометаллургической, целлюлозно-бумажной, нефте- и углеперерабатывающейотраслей;- содержат кислоты или щелочи, соли, нефтепродукты, продукты переработкиуглей и др.- могут содержать токсичные вещества такие, как цианиды, соединения мышьяка,селена, ртути, свинца, кадмия.Наибольшие объемы воды – потребляет энергетика:На производство 1 кВтч электроэнергии требуется 200—400 л воды.Для работы ТЭЦ мощностью 1000 МВт необходимо 1,2—1,6 км3 воды в год, аАЭС такой же мощности — 3 км3 в год.На станциях большой мощности в сутки сбрасывается 1000 т и более воды,загрязненной примесями.Загрязненность различных видов производственных стоков различна.Например, охлаждающие воды ТЭС- мало загрязнены.→ Для каждого вида сточных вод применяют свой метод очистки.Классификация примесей и технологические показатели сточных вод такиеже, как и для природных вод.Классификация примесей природных и сточных водПо размеру:истинно растворенные, или ионно-дисперсные ( <1 нм);коллоидные (от 5 до 200 нм); и взвешенные, или грубодисперсные (>0,1 мкм).гомогенные микрогетерогенные10-910-8истинныерастворы10-7коллоидныегетерогенные10-6 ,м(размер)суспензии, эмульсиимеханические смесиПо химическому составу: органические и неорганические.Органические - имеют сложный состав, находятся во взвешенном, коллоидномили истинно растворенном состоянии.Неорганические – могут находиться в виде коллоидных частиц, но основном ввиде ионов: Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Сl-, SO42-, HCO3- и растворенных газов N2, O2,CO2 и др.Коллоидные растворыСтроение коллоидной мицеллы кремниевой кислоты:{[n(H2SiO3).m SiO32-.xH+.z1H2O](2m-x)H+.z2H2O}1- ядро(нейтрально1231+2 - коллоиднаячастица имеет заряд!1+2+3 – мицелла нейтральна3 – диффузный слойСвойства коллоидных систем :агрегативная устойчивость- устойчивость во времени вследствиеодинакового заряда коллоидных частиц (взаимное отталкивание)кинетическая устойчивость – устойчивость во времени вследствиетеплового, броуновского движения (не оседают на дно);эффект Тиндаля –видимый в темноте световой луч вследствие рассеяниясвета коллоидными частицами;электрофорез – движение частиц дисперсной фазы к одному из электродовпод действием пост.тока вследствие заряда коллоидных частицПриродные коллоидные системы: кровь, лимфа, молоко, туман, пыль и т.д.Коллоидные примеси в воде: органические, кремниевые кислоты.Основные технологические показатели водыСодержание взвешенных веществ (мутность), мг/лОпределяется– по эталонам мутности или по массе отфильтрованногоосадка.

В питательной воде – не допускается.Общее солесодержание S, мг/л, г/л –суммарная концентраций всех солей.Воды рек - невысокое солесодержание: 0,5-0,6 г/л.Подземные воды - более высокое солесодержание.Воды океанов и открытых морей - примерно одинаково ≈ 35 г/л.Солесодержание внутренних морей - ниже, чем океанов.(Солесодержание Каспийского моря 3-13 г/л, Черного моря 17-18 г/л).В теплоэнергетике нормируется содержание отдельных ионов: меди, железа идр.Прямоточные котлы: максимальное общее солесодержание – 0,1-0,5 мг/лСоединения в пересчете на: Fe -5 мкг/л; Na -5 мкг/л; Cu – 5 мкг/лЖесткость воды равна суммарной концентрации ионов кальция и магния вммоль экв/л: Жо = ([Са2+] + [Mg2+]).Различают общую Жо, карбонатную Жк и некарбонатную Жнк жесткость.Концентрация ионов Са2+ и Мg2+, эквивалентная содержанию ионов НСО3(то есть концентрация солей Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2 ), определяеткарбонатную жесткость.Концентрация ионов Са2+ и Мg2+, эквивалентная всем прочим анионам(SО42-, Cl- и др., то есть - соли СаSО4, МgСl2и др.), определяетнекарбонатную жесткость.Сумма карбонатной и некарбонатной жесткостей составляет общуюжесткость воды:Жо = Жк + Жнк , ммоль экв/л ( ммоль экв/кг)Жк –«временная жесткость», так как может быть удалена нагреванием:при нагревании происходит разложение бикарбонатов, в общем виде реакция:Са(НСО3)2→ СаСО3 (тв)↓ + СО2 ↑+ Н2ОПо значению общей жесткости установлена следующая классификация:Жо  1,5 – малая, Жо = 1,5 - 3 – средняя, Жо = 3- 6 – повышенная, Жо = 6-12 –высокая, Жо  12 – очень высокая жесткость.В теплоэнергетике:Прямоточные котлы: общая жесткость – 0,2-0,5Барабанные котлы: 1-10Водородный показатель рН: морская – 7,5-8,5; речная – 6,5–9,0; подземная –5,0-7,0; кислые дожди – 3,5-4,0.Прямоточные котлы: рН – 9,1+0,1Барабанные котлы: рН - 8,5-9Щелочность воды ,Щ ммоль экв/л выражается суммой концентрацийионов гидроксида и анионов слабых кислот, например, НСО3- ; СО32-, РО43- идр.