9.3: Хімія води

Деякі хімічні та біохімічні явища, що відбуваються у воді, проілюстровані на малюнку 9.4. ² Фізично, показаний водойма стратифікований протягом літніх місяців з більш теплим, менш щільним епілімніон плаває над більш холодним, більш щільним гіполімніоном, з невеликим змішуванням між ними. Епілімніон контактує з атмосферою і має значний вміст розчиненого кисню. Тому в епілімніоні переважають окислені неорганічні види. Гіполімніон є аноксичним, оскільки мікроорганізми споживають весь розчинений в ньому O ₂ і він не контактує з атмосферою. У гіполімніоні переважають знижені неорганічні види. Основним фактором хімії цієї системи є біохімічне фотосинтетичне виробництво органічної речовини, представленої {CH ₂ O}. Органічна речовина є біохімічним відновником і при зануренні в гіполініон окислюється опосередкованими мікроорганізмами процесами, які, наприклад, зменшують NO ₃ ^- і SO ₄ ^2- до NH ₄ ⁺ і H ₂ S відповідно. Дві важливі мікробно опосередковані окислювально-відновні реакції {CH ₂ O} - це реакція з розчиненим O ₂,

\[\ce{(CH2O) + O_{2} \rightarrow CO2 + H2O}\]

який виснажує розчинений кисень у воді, роблячи гіполімніон аноксичним та метановим бродінням,

\[\ce{2(CH2O) \rightarrow CH4 + CO2}\]

який виробляє горючий газ метану. Здатність {CH ₂ O} реагувати з розчиненим O ₂ є мірою потенціалу води виснажуватися киснем, необхідним рибам та іншим водним організмам, і виражається як біохімічна потреба в кисні, БПК, важлива якість води параметр.

Фотосинтетичне біохімічне виробництво біомаси призводить до деяких важливих хімічних реакцій. Як показано на малюнку 9.4, водорості використовують розчинений HCO ₃ ^- іон як джерело вуглецю і при цьому виробляють карбонатний іон, CO ₃ ^2-. Дві додаткові реакції карбонатного іона показані на малюнку 9.4. Одним з них є його реакція гідролізу з молекулами H ₂ O назад до HCO ₃ ^- з виробленням OH ^- іона. Це робить воду основною, важливою водною кислотно-лужною реакцією. Друга реакція карбонату полягає в тому, що при розчиненому Ca ^{2 +} утворюється тверда CaCo ₃, важлива реакція опадів у воді, яка відповідала за утворення великих відкладень вапняку.

Всі основні окислювально-відновні реакції в природній воді здійснюються мікроорганізмами, які виступають в ролі каталізаторів і витягують енергію, що виділяється реакціями. Прикладом, показаним на малюнку _{9.4, є біохімічне відновлення SO 4} ^2- _{до H 2} S., в якому сульфат діє як окислювач для окислення біомаси ({CH ₂ O}) за відсутності молекулярного O ₂. Проходячи в гіполімніоні і відкладеннях, ця реакція відповідає за неприємний запах сірководню в деяких водоймах і болотах.

Ще одним важливим явищем в природних водах і стічних водах є утворення хелатів металів, в яких іони металів пов'язані в двох і більше місцях органічними речовинами. Гумінові речовини, що утворюються в результаті часткового біодеградації біомаси, є складними великими органічними молекулами з численними ароматичними кільцевими структурами, що містять кисень у функціональних групах, включаючи карбоксил (-CO2H) та фенольний гідроксил (-OH). Ці групи можуть втратити Н+виробляти негативно заряджені групи, здатні зв'язуватися з іонами металів, як показано нижче для хелювання Fe ^{2 +} іон:

Найважливішими гуміновими речовинами у воді є нижньомолекулярні фульвокислоти. Ці види, як правило, хелат Fe ^{2 +} іон виробляють жовтий матеріал, який називається gelbstoffe (німецька означає «жовтий матеріал.)» Іони металів, пов'язані з фульвокислотою, важко видалити з води, і, оскільки залізо є дуже небажаною домішкою води, для видалення хелатного заліза можуть знадобитися кардинальні заходи, такі як руйнування фульвокислоти хлором.

Фазові взаємодії у водній хімії

Малюнок 9.4 ілюструє процес обміну розчинених розчинених речовин у воді з відкладеннями. Взаємодія між водою та твердою, газовою та іншими рідкими фазами дуже важлива у водній хімії. Водні біохімічні процеси передбачають обмін матеріалами між водним розчином і клітинами мікроорганізмів. Наприклад, коли відбувається фотосинтез у воді (рис. 9.4), розчинений HCO ₃ ^- іон переноситься в клітину плаваючого фотосинтетичного фітопланктону для перетворення в біомасу. Як продукт цієї реакції газоподібний О ₂ виділяється з клітини, частина його розчиняється у воді, а частина плаває до вершини у вигляді бульбашок O ₂. Як зазначалося вище, іон CO ₃ ^2-, що утворюється як побічний продукт фотосинтезу, реагує з розчиненим іоном Ca ^{2 +} з отриманням твердого CaCo ₃. Зворотний процес відбувається, коли бактеріально вироблений розчинений вуглекислий газ реагує з твердим карбонатом кальцію.

\[\ce{CO2(aq) + H2O + CaCO3 (s) \rightarrow Ca^{2+} (aq) + 2HCO3^{-} (aq)}\]

покласти іон кальцію і бікарбонатний іон в розчин. Обидва ці види мають важливе значення у воді. Іон Са ^{2 +} відповідає за жорсткість води, названий за схильність до утворення опадів з мильними аніонами, які марні для очищення, а HCO ₃ ^- це лужність води, здатність нейтралізувати кислоти.

Особливий вид фази, що взаємодіє з водою, складається з колоїдних частинок, які представляють собою дуже дрібні частинки розміром близько мікрометра, які зважуються у воді. Існує три види колоїдних частинок, як показано на малюнку 9.5. Багато значущих матеріалів існують як колоїдні частинки у воді, включаючи бактеріальні та водорості клітини, глинисті мінерали, мило та різноманітні забруднювачі. Поведінка колоїдів є проміжною між поведінкою справжніх розчинів та сипучих матеріалів, таких як у відкладах. На таку поведінку сильно впливає дуже високе співвідношення поверхні до об'єму колоїдів. Агрегація колоїдних частинок є важливим і часто складним аспектом очищення води, наприклад, при відстоюванні та відділенні мікроорганізмів, що беруть участь у біологічній очистці стічних вод.

Малюнок 9.5. Представлення трьох видів колоїдних частинок у воді. Асоціаційні колоїди складаються з міцел, в яких довгі вуглеводневі ланцюги на аніоні жирних кислот скупчуються в центрі колоїду, а аніонні функціональні групи на кінцях вуглеводневих ланцюгів розташовані по периферії міцели, що контактують з водою. Мило утворює асоціацію колоїдів у воді. Гідрофільні колоїди - це такі матеріали, як білки або бактеріальні клітини, які стабілізуються їх зв'язуванням з водою. Гідрофобні колоїди відштовхуються водою, але стабілізуються їх електричними зарядами, які перешкоджають їх агрегуванню разом.

Кислотно-лужні явища у воді

Природна вода майже завжди містить кислоти, здатні виділяти іон Н ⁺, і може містити розчинні речовини, які можуть приймати іон Н ⁺ і, таким чином, діяти як основи. Найпоширенішим кислотним речовиною у воді є розчинений СО ₂, який може потрапляти в воду з атмосфери або в більш високих концентраціях як продукт мікробного розпаду органічної речовини. Розчинений вуглекислий газ виробляє іон Н ⁺ наступною реакцією з водою:

\[\ce{CO2 (aq) + H2O \leftrightarrows H+ + HCO3^{-}}\]

Подвійні стрілки позначають, що реакція оборотна. Оскільки вуглекислий газ є слабкою кислотою, рівновага реакції лежить зліва, що виражається наступною константою дисоціації кислоти, в якій pK _a1 = -LogK _a1:

\[\K_{a1} = \frac{[H^{+}][HCO_{3}^{-}]}{[CO_{2}]} = 4.45 \times 10^{-7} \: \: \: pK_{a1} = 6.35\]

HCO ₃ ^- іон також може втратити H ⁺:

\[\ce{HCO3^{-} \leftrightarrows H+ + CO3^{2-}}\]

\[K_{a2} = \frac{[H^{+}][CO_{3}^{2-}]}{[HCO_{3}^{-}]} = 4.69 \times 10^{-11} \: \: \: pK_{a2} = 10.33\]

В іншому випадку чиста вода в рівновазі з повітрям містить деяку кількість розчиненого СО ₂ з атмосфери, що становить 390 частин на мільйон СО ₂ за обсягом. Розрахунки розчинності можуть бути використані для того, щоб показати, що концентрація розчиненого вуглекислого газу у воді, [CO ₂ (aq)], в рівновазі з повітрям становить 1,276 × 10 ^-5 М (моль/літр). ^{Коли кожен СО ₂ вступає в реакцію з Н ₂ О, виробляються один Н + і один НСО ₃.} Заміна в рівноважну константу вираження Рівняння 9.3.6 призводить до [Н ⁺] =2,38×10 ^-6 М, рН = 5,62, трохи більш кислий, ніж нейтральний рН 7. Тому дощова вода від природи слабокисла. Природна вода з рН менше 5,62 ймовірно містить забруднюючу сильну кислоту, найчастіше H ₂ SO ₄ від кислотних дощів.

Велика частина води, яка контактувала з геосферою, містить лужність, здатність реагувати з іоном Н ⁺ і нейтралізувати кислотність. Як правило, лужність обумовлена наявністю HCO ₃ ^- іона, який зазнає наступну реакцію з іоном H ⁺:

\[\ce{HCO3^{-} + H^{+} \rightarrow CO2 + H2O}\]

Лужність зазвичай вводять у воду реакцією розчиненого СО ₂ з мінералом CaCo ₃, як показано в Реакція 9.3.4. Через наявність лужності більшість природних вод, таких як ті, що використовуються для постачання муніципальних систем водопостачання, є трохи основними з рН близько 8, а не є слабокислими, як дощова вода.