Лекция доцента Петровой Е.А. охватывает структуру и свойства воды, ее аномальные физико-химические характеристики и гидрологический цикл. Также рассматриваются классификации природных вод по происхождению, минерализации и химическому составу. Документ подчеркивает важность воды как универсального растворителя и регулятора температуры на планете.

1. Курс лекций
Доц. к.т.н. Петрова Елена Александровна

2. Лекция №1. Характеристика и классификации природных вод
Основные вопросы:
1. Структура воды и ее свойства.
2. Гидрологический цикл.
3. Характеристика природных вод
4. Классификации природных вод

3. Вода - самое распространённое в природе химическое соединение.

4. 1. Структура и свойства воды
Строение молекулы воды
Молекула воды состоит из 2-х атомов водорода и одного атома
кислорода и представляет собой диполь, содержащий
положительный и отрицательный заряды на полюсах.
Электронная плотность облака распределена неравномерно: она
направлена в сторону кислородного ядра, т.к. масса и заряд ядра
кислорода больше чем у ядер водорода.
Таким образом, около ядер водорода имеется недостаток
электронной плотности, а на противоположной стороне
молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток
электронной плотности.
Такая структура определяет полярность
молекулы воды.

5. Аномальные свойства воды
1. Плотность воды при увеличении температуры от 0 до 100 С имеет максимум
(при температуре 4 С), в то время как у других жидкостей она постоянно
уменьшается. В соответствии с плотностью при температуре от 0 до 4 С
объем воды уменьшается, а затем, при повышении температуры,
увеличивается. При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все
другие жидкости. Плотность льда при 0 С примерно на 10% меньше
плотности воды при этой температуре.
Примечание
Если бы при понижении температуры плотность воды изменялась так же, как это
происходит у большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные
слои природных вод охлаждались бы до 0°С и опускались на дно, освобождая
место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса
водоема не приобрела бы температуру 0°С и водоем промерзал бы на всю глубину.
При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как
наибольшей плотности вода достигает при 4°С, то перемещение ее слоев
заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении
температуры охлажденный слой замерзает и защищает лежащие ниже слои от
дальнейшего охлаждения и замерзания.

6. 2. Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не
повышается, как это следовало бы ожидать.
Примечание.
Этой аномалией можно объяснить существование жидкой воды на больших
глубинах в морях при температуре, значительно ниже 0°С.
2. Вода при нормальном давлении кипит при температуре +1000С, а замерзает
при 00С — это известно всем. Но согласно ее расположению в
Периодической таблице Менделеева она должна кипеть при -800... -900С, а
замерзать при -1000С.
Примечание
Чем меньше порядковый номер
элемента, чем меньше его атомный вес,
тем ниже температура кипения его
соединений.
Если определить температуру кипения
воды как гидрида кислорода по
положению кислорода в
Периодической таблице, то окажется,
что вода должна кипеть при
восьмидесяти градусах ниже нуля.

7. 4. Удельная теплоемкость воды (4,18 Дж/(К)) в 5 — 10 раз больше
удельной теплоемкости других природных веществ (например, для
сравнения значения удельной теплоемкости некоторых веществ: песок 0,79;
известняк 0,88; хлорид натрия 0,88; глицерин 2,43; этиловый спирт 2,85.
Примечание.
Благодаря высокой теплоемкости вода является мощным энергоносителем.
Поэтому в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает
медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается,
являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре.
5. Удельная теплоемкость воды уменьшается при повышении температуры,
тогда как у других веществ (кроме ртути) она увеличивается. При этом
уменьшение удельной теплоемкости воды происходит при температуре от 0
до 37 С, а затем она увеличивается (у ртути она непрерывно уменьшается).

8. 6. Удельная теплота плавления льда очень высокая (333•103 Дж/кг). Вода и лед
при 0 С различаются между собой по содержанию скрытой энергии на
333•103 Дж. С понижением температуры удельная теплота плавления не
увеличивается, а уменьшается примерно на 2,1 Дж на 1 С.
Примечание.
При плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается и давление
понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле - Шателье.
Допустим лед и жидкая вода находятся в равновесии при 0°С. При увеличении
давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону
образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший
объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом,
возрастание давления при 0°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и
означает, что температура плавления льда снижается.

9. 7. Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не увеличивается, как
следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями.
Водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся. Их время
жизни оценивают в диапазоне от 10-10 до 10-11 с. Такое представление объясняет
высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость.
8. Диэлектрическая проницаемость ε у воды чрезвычайно велика и равна 81 (у
льда при t = -5 С εл = 73), тогда как у большинства других веществ она
составляет 2—8 и лишь у некоторых достигает 27—35 (спирты).
Примечание.
Вследствие этого вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей
способностью, чем другие жидкости.
9. Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди жидкостей
(0,0727 H/м при 20 С), за исключением ртути (0,465 H/м).

10. Диаграмма показывает те состояния воды,
Диаграмма состояния воды
которые термодинамически устойчивы при
определенных значениях температуры и
давления.
лед = пар (кривая ОА)
лед = жидкость (кривая ОВ)
жидкость = пар (кривая ОС)
О – тройная точка
Единственное вещество в природе, которое существует в трех агрегатных состояниях.

11. Диаграмма агрегатных состояний воды в области тройной точки А
I — лед. II — вода. III — водяной пар

12. Вода – универсальный растворитель
вода
Молекула соли
Молекула воды

13. Химические свойства воды
1. Взаимодействие воды с активными металлами
2Na + H2O 2Na OH + H2 Li + H2O Li OH + H2
Гидроксид натрия
K + H2O КОН + Н2

14. 2. Взаимодействие воды с неметаллами
С + H2O CO + H2
Водяной газ
3. Взаимодействие воды с основными оксидами
Na2O + H2O 2NaOH
Оксид натрия Гидроксид натрия
4. Взаимодействие воды с кислотными оксидами
CO2 + H2O H2CO3
Угольная кислота

15. 2. Гидрологический цикл
Гидрологический цикл (круговорот)– это непрерывное движение воды из
гидросферы и с земной поверхности в атмосферу, и обратно.
Движение воды в
природе
обеспечивается
четырьмя процессами:
•испарением,
•конденсацией,
•выпадением осадков
•стоком вод.
Выпавшие осадки частично снова испаряются и конденсируются, частично
пополняют водоемы (или создают новые), а частично уходят под землю, образуя
грунтовые воды.

16. 3. Характеристика природных вод
Природные воды - многокомпонентные системы, в состав которых входят
минеральные вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том
числе микроорганизмы.
Компоненты природной воды
макрокомпо микрокомпо Основные Биогенные Органические
ненты ненты газы вещества вещества
содержание в содержание в СО2, N2, вещества, представлены
воде более 1мг/л воде менее 1мг/л СН4, СО, необходимые для гуминовыми,
кальций, магний, редкие элементы H2S. жизнедеятельности гумусовыми,
натрий, калий, (например, бор, водных организмов. фульвокислотами
железо, кремний, литий, рубидий, Например, азот. и их солями
углерод, сера, хлор, цинк) формы неорганического образуются при
находящиеся в азота: аммонийный NH4+, разложении
ионном виде нитритный NO2, отмерших
нитратный NO3 растений
Формирование состава природных вод
происходит в результате взаимодействия Стоки удобрений
воды с окружающей средой.

17. Сточная вода
Образуется в результате использования воды на производственные или бытовые
нужды.
Это воды, получившие загрязнения и
подлежащие удалению с территории
населенных мест и промышленных
предприятий.

18. Отличие природной воды от сточной
Природная вода Сточная вода
Формирование состава природных
Формирование состава сточных вод
вод происходит в результате
происходит в зависимости от вида
взаимодействия воды с
загрязнений: бытовые,
окружающей средой - горными
промышленные и т.д.
породами, почвой, атмосферой.
Качественный состав стабилен Качественный состав нестабилен

19. 4. Классификация природных вод
1. Классификация по происхождению
Атмосферные Подземные
Поверхностные
(осадочные) (ключевые)

20. 2. Классификация по величине минерализации , г/дм3
Название Концентрация минеральных
компонентов, г/дм3
ультрапресные До 0,2
пресные 0,2 – 0,5
слабоминерализованные 0,5 - 1
солоноватые 1-3
соленые 3 - 10
С повышенной соленостью 10 - 35
Переходные к рассолам 35 - 50
рассолы Свыше 50

21. Наименьшая минерализация в
реках – в период половодья,
максимальная - зимой
Большинство рек России
ультрапресные, пресные.

22. 3. Классификации воды по химическому составу (их несколько)
Классификация С.А. Щукарева
основана на принципе преобладания катионов (Na+, Ca2+, Mg2+) и трех главных
анионов (Cl-, SО4 2-, HCO3 -). Вода относится к тому или другому классу в
зависимости от содержания упомянутых ионов в количестве.
Комбинируя типы вод по содержанию катионов, получают 49 классов вод.
Например, вода может называться
Классификация Щукарева очень
гидрокарбонатной натриево-
проста и удобна для сопоставления
кальциевой или
различных по химическому составу
сульфатногидрокарбонатной
вод, но громоздка (49 классов, 4
кальциевой.
группы).
По общей минерализации каждый класс
Кроме того, деление на классы носит
разделен на группы:
формальный характер, вследствие
чего часть классов – нереальная.
А – менее 1,5 г/л;
В – от 1,5 до 10 г/л;
С – от 10 до 40 г/л
D – более 40 г/л.

23. Классификация Л.А. Кульского
Это фазово-дисперсная классификация примесей воды. Позволяет подобрать
методику очистки воды.
Степень дисперсности сущность характеристика Методы удаления
1. нерастворимые в воде взвеси Гетерогенные системы, Очень легко оседают. Можно
примеси, величина частиц Пример: удалит отстаиванием воды.
которых 10-4 см и больше суспензии, эмульсии,
планктон
2. Размер частиц таких примеси органические и ультрафильтрация;
примесей составляет 10-5–10-6 коллоидной неорганические – коагуляция;
см. степени вещества, вирусы, – окисление хлором, озоном,
дисперсности бактерии. перманганатом;
– адсорбция
3. Размеры этих веществ 10-6 – примеси гуминовые кислоты обратный осмос,
10-7 см молекулярной нанофильтрация;
степени –десорбция;
дисперсности – окисление;
– адсорбция
4. Степень их дисперсности примеси Продукты Ионная хроматография
составляет 10-7 – 10-8 см. ионной диссоциации в воде
степени солей, кислот,
дисперсности оснований

24. Классификация О.А. Алёкина
Все воды делятся на три класса по преобладающему аниону: гидрокарбонатные
(карбонатные), сульфатные и хлоридные.
Группы делятся на типы:
Преобладающие ионы характеристика
1. Преобладают катионы натрия и калия Мягкие воды с небольшим солесодержанием
HCO3- > Ca2+ + Mg2+
2. HCO3- < Ca2+ + Mg2+ <HCO3- + SO42- Воды с малым и средним солесодержанием
3. HCO3- + SO42- < Ca2+ + Mg2+ или Cl- > Na+ Воды с высоким солесодержанием
4. HCO3- = 0. могут быть только в сульфатном или Кислые воды
хлоридном классе в группах кальция и магния.
Класс Группа Тип
Карбонатный Кальциевая (Са) I, II, III
или Магниевая (Мg) I, II, III
гидрокарбонатный (С) Натриевая (Na) I, II, III
Кальциевая (Са) II, III, IV
Cульфатный (S) Магниевая (Мg) II, III, IV
Натриевая (Na) I, II, III
Кальциевая (Са) II, III, IV
Хлоридный (Cl) Магниевая (Мg) II, III, IV
Натриевая (Na) I, II, III

25. Ионы, наиболее часто встречающиеся в природных водах
Катион Анион
Наименование Обозначение Наименование Обозначение
Водород H+ Гидроксильный OH-
Натрий Na+ Бикарбонатный HCO3-
Аммоний NH4+ Хлоридный Cl-
Кальций Ca2+ Сульфатный SO42-
Магний Mg2+ Нитритный NO2-
Железо (двух- и
Fe2+, Fe3+ Нитратный NO3-
трехвалентное)
Барий Ba2+ Силикатный SiO32-
Алюминий Al3+ Ортофосфорный PO43-
Калий K+ Фторидный F-

26. 4. Классификации воды по принципу использования
питьевые технические охлаждающие хозяйственные лечебные

27. 5. Классификации воды по характеру примесей
Классификация воды по жесткости Жесткость воды
обусловливается наличием в воде
ионов кальция, магния, стронция,
бария, железа, марганца.

28. Классификация вод по рН