Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Строение молекул воды.




Вода в природе. Вода—весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также нахо­дится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чи­стой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в преде­лах от 0,01 до 0,1 % (масс.). Морская вода содержит 3,5 % (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).

вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, на­пример дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь. Подробнее о жесткости воды см.

Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задер­живают также большую часть бактерий. Кроме того, для обезза­раживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.

Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена (см. § 212).

Вода имеет очень большое значение в жизни растений, живот­ных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.

Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При нагревании воды от 0 до 4 °С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода имеет, максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается.

Если бы при понижении температуры и при переходе из жид­кого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего 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 О °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его 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, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры, При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, об­ладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замер­зает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(г*К)] *< 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.

В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при О °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.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние ме­жду ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кис­лорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, а ос­тальные четыре электрона пред­ставляют собой две неподелен- ных электронных пары.

г

Как уже указывалось на стр. 132, атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии 5р3-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электро­ны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицатель­ному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, так что на этих атомах соз­даются два положительных полюса. Центры отрицательных заря­дов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных 5р3-орбиталях, смещены относительно ядра атома и создают два отрицательных полюса (рис. 71),

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворите­лях (см. § 80), оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т. е< соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтвер­ждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды (см. рис. 57 на стр. 148). Как уже говорилось в § 47, ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, раз­меры которых несколько превышают размеры молекулы НоО.

При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жид­кой воде сохраняются водородные связи между молекулами: обра­зуются ассоциаты — как бы обломки структуры льда, — состоящие из большего или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: по­стоянно происходит разрушение одних и образование других агре­гатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды ста­новится более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней ста­новится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4 °С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4 °С преоб­ладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.

Водородные связи между молекулами воды полностью разры­ваются только при переходе воды в пар.

???? 85. Охрана окружающей среды и водного бассейна

Лекция 4. Основные источники загрязнения окружающей среды.

Влияние промышленных предприятий.

Промышленность оказывает наиболее разрушительное влияние на окружающую среду, и в первую очередь на рельеф местности, уровень залегания грунтовых вод, почву, растительность и животный мир. Особенно ощутимый экологический вред наносит добыча полезных ископаемых. В СНГ около 60% добываемого угля приходится на открытые разработки. В Беларуси на разработки занято 42 тысячи га земель (изниз 33,8 тысяч га приходится на торфяные месторождения). На поверхность земли часто выпадают токсичные химические вещества, оказывающие отрицательное воздействие на прилегающие территории. Негативное влияние на грунтовые воды приводит, в первую очередь, к снижению продуктивности с/х и лесных угодий и гибели лесов. Одним из главных решений данного спектра проблем является рекультивация земель (горнотехническая и биологическая).

Горнотехническая рекультивация:

Покрытие поверхности плодородным слоем. Укрепление поверхности от водной и ветровой эрозий. Утилизация отходов промышленности. Уплотнение и планировка нарушенных земель

Биологическая рекультивация:

Озеленение, нанесение на поверхность биологически активного слоя Удобрение нанесённого плодородного слоя Подбор наиболее пригодных пород деревьев, кустарников, трав. Полное восстановление биологического потенциала нарушенных земель

Основным загрязнителем окружающей среды является металлургическое производство, причём на всех его стадиях. В воздушный бассейн осуществляется выброс огромного количества пыли, сернистого газа и оксидов углерода. Выбрасываемая пыль насыщена соединениями железа, алюминия, марганца и др. Так же все предприятия металлургического производства являются водо-, энерго- и теплоёмкими. Влияние химической промышленности обусловлено не только значительным масштабом загрязнения токсичными веществами, но и выбросом веществ, которые не учавствуют в естественном круговороте. Так же потребителями химической промышленности являются все отрасли промышленности, поэтому загрязнение происходит повсеместно. Огромное количество вредных веществ выбрасывается при производстве серной и фосфорной кислот, а так же минеральных удобрений (суперфосфата, аммофоса ит.д.). Например при производстве фосфорной кислоты в атмосферу выбрасывается до 60% вырабатываемого фтора, а соединения фтора являются сильными ядами, особенно для растений, обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме в течении длительного времени.

В меньшей степени, окружающую среду загрязняют предприятия строительной индустрии (производство цемента, бетона, асбеста и др.).

Главным промышленным загрязнителем в мире является США - 23%, Китай - 13,9%, Россия - 7,2%.

Среди промышленных предприятий Беларуси 36% выбросов приходится на энергетическую отрасль.

Оценка интенсивности выбросов (отношение массы выбросов и стоимости ВВП) показала, что предприятия Беларуси загрязняют окружающую среду в 1,5-2 раза больше по сравнению с индустриально развитыми державами, но значительно меньше, чем страны Центральной и Восточной Европы.

Автомобильный транспорт.

Негативное влияние на окружающую среду оказывают все виды транспорта, однако львиная доля приходится на автотранспорт. Главная причина - резкое увеличение количества легковых и грузовых автомобилей (например в США количество автомобилей увеличивается в 2 раза быстрее, чем численность населения). В США автомобили расходуют 63% общего объёма потребляемой нефти и на них приходится 50% загрязнения воздуха.

Главным в улучшении данной ситуации является усовершенствование автомобильных двигателей с переходом на другие виды топлива.

В крупных городах около 90% оксидов углерода попадает в воздух вследствие неполного сгорания его в моторном топливе. Так же на автомобили приходится около 45% газового выброса оксидов азота и около 35% углеводородов (наиболее опасным является бензопирен, который обладает сильным канцерогенным свойством). При неполном сгорании дизельного топлива выделяется сернистый газ, который контактируя с водой даёт серную кислоту (является сильнейшим коррозионным фактором). Так же при сгорании бензина в воздух попадают частицы свинца (а точнее тетраэтилсвинец, который повышает октановое число бензина). Особенно сильно от свинца страдают дети, они теряют аппетит, становятся апатичными либо сверхкапризными, затем появляются рвота и обмороки. Свинцовое отравление может вызвать умственную отсталость и привести к смерти.

Транспорт способствует накоплению в атмосфере пыли, которая может задерживать от 10 до 50% солнечных лучей и почти 90% у/ф лучей. На мелкие частицы пыли оседают молекулы оксидов серы и канцерогенных углеводородов.

Широкое применение соли для устранения обледенения на дорогах приводит к тому, что соль с талой водой попадает в реки и озёра, откуда берётся питьевая вода. Серьёзной проблемой является сброс нефтепродуктов в мировой океан (около 10 млн. т). Причины: аварии танкеров, повреждения и аварии на буровых установках, прорывы нефтепроводов и т.д.).

Энергетика и окружающая среда.

Каждая из отраслей энергетики (гидроэнергетика, теплоэнергетика и атомная энергетика) оказывает своё специфическое воздействие на окружающую среду. 1. Гидроэнергетика.

Не вызывает загрязнения окружающей среды в обычном понимании. Однако плотины и создаваемые при них водохранилища нарушают экологический баланс водоёмов. Сегодня в мире насчитывается около 30000 водохранилищ. Процессы происходящие в самом водохранилище приводят к трансформации речных вод в полупроточные водные массы. Влияние водохранилищ на климат распространяется на 10-15 км.

На прилегающих к водохранилищу территориях повышается уровень грунтовых вод, что приводит к заболачиванию, трансформации почв, нарушению обитания животных и растений. Водохранилища влияют так же на тектонические процессы, способствуя

возникновению и увеличению частоты землетрясений. В результате эксплуатации водохранилищ нарушается качество воды, а это оказывает влияние на использование всех видов водных ресурсов. Решением является развитие т.н. «малых» ГЭС (впервые в США). Возведение малых ГЭС происходит на высоком технологическом уровне, они рассчитаны на сравнительно небольшой расход воды. Малые ГЭС почти не изменяют природных условий.

Теплоэнергетика.

Продукты сгорания топлива на ТЭС являются основным источником загрязнения окружающей среды. Энергетические установки всего мира ежегодно выбрасывают около 1 млрд. тонн золы и около 400 млн. тонн оксида серы. В результате сжигания топлива концентрация углекислого газа в атмосфере ежегодно увеличивается на 0,03%. В состав выбросов входит сернистый газ, который является очень сильным ядом. В местах, прилегающих к ТЭС, концентрация токсичных веществ превышает норму в 5 раз. Так же серьёзной экологической проблемой является сброс сточных вод в водоёмы. Со сточными водами сбрасывается целый комплекс загрязняющих веществ (нефтепродукты, хлориды, сульфаты и т.д.) В России сброс сточных вод ТЭС составляет около 5% всех сбросов.

ТЭС потребляют огромное количество кислорода. При современном топливном балансе потребление кислорода ТЭСами примерно в 5 раз превосходит его потребление всем населением Земли для дыхания. ТЭС, работающие на угле являются источником радиоактивности, а угольная зола содержит большое количество токсичных металлов (барий, мышьяк, марганец и др.).

Ядерная энергетика.

Для выработки энергии необходима урановая руда, а в процессе работы образуются радиоактивные отходы. Очень актуальна проблема влияния АЭС на прилегающие территории, а так же проблема последствий аварий на АЭС. Радиоактивные материалы, используемые на АЭС имеют твёрдую, жидкую и газообразную форму. Твёрдые - это отработанное ядерное топливо.

Жидкие - это охлаждающая ядерный реактор вода, в которой находятся радионуклиды. Газообразные - радиоактивные инертные газы (криптон, ксенон).

Отходы низкой радиоактивности утилизируются на хранилищах на территории АЭС, а отходы высокой радиоактивности помещаются в специальные могильники. Радиоактивному воздействию подвергается персонал АЭС, а так же население территорий, прилегающих к ним.

1.Решение проблемы радиоактивного загрязнения окружающей среды при эксплуатации АЭС сводится к созданию замкнутых систем водопользования с многократными этапами очистки и следующим её возвратом.

2 Снижение газо-аэрозольных выбросов.

3 Снижение объёма поступающих на захоронение твёрдых отходов.

4 Создание максимально эффективной и многобарьерной защиты.

Так же весьма актуальной является проблема теплового загрязнения. Современные ТЭС и АЭС имеют КПД 33-40%, это значит, что около 60% тепла отводится водой системы охлаждения. Экологическая приемлемость АЭС тесно связана с выводом АЭС из эксплуатации в связи с аварией или модернизацией.


Поделиться:

Дата добавления: 2015-04-18; просмотров: 137; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.007 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты