Környezeti kémia. A víz körforgása a természetben Föld vízkészletének megoszlása. A víz szerepe. Ivóvízhez jutás

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Környezeti kémia. A víz körforgása a természetben 2012.05.08. Föld vízkészletének megoszlása. A víz szerepe. Ivóvízhez jutás"

Bálint Emil Boros
8 évvel ezelőtt
Látták:

A víz szerepe Környezeti kémia 4. Előadás A hidroszféra kémiája A víz kereken 1,38 10 18 t (7,65 10 22 mol) összes tömegével a földfelület leggyakoribb molekuláris vegyülete.

A tiszta ivóvíznek stratégiai jelentősége van.

1 A víz szerepe Környezeti kémia 4. Előadás A hidroszféra kémiája A víz kereken 1, t (7, mol) összes tömegével a földfelület leggyakoribb molekuláris vegyülete. A Föld felső rétegében a víz tömege 8%-ot tesz ki. Kétségbevonhatatlan, hogy a Földön bármilyen, az életjelenségekkel kapcsolatos folyamatot a víz határozza meg. A tiszta ivóvíznek stratégiai jelentősége van. 1 2 Föld vízkészletének megoszlása A víz körforgása a természetben 3 4 A víz átlagos tartozkodási ideje különböző közegekben Ivóvízhez jutás Atmoszféra Tavak, folyók Óceánok felszíni rétegei Óceánok mély rétegei Sarkvidéki jég, gleccser 1 nap 7 év 80 év 1600 év 5000 év A legnagyobb anyagforgalom, évi km 3 az elpárolgásból és a csapadékképződésből ered. Ennek a vízcserének közel 9 %-a (37000 km 3 /év) a szárazföld és az óceán között zajlik le 5 Ivóvíznek ma már stratégiai jelentősége van. 1 milliárd ember kénytelen szennyezett ivóvizet fogyasztani, és évente 5 millió gyermek hal meg víz okozta fertőzés következtében. 6 1

2 Víz tulajdonságai Víz szerkezete A víz az oxigén atomok szabad elektronpárja és a hidrogénatomok elektronhiánya miatt hidrogénhidat képez A víz számos molekulából (2-150) szerkezettel rendelkező asszociátumokat képez. 7 8 Víz átalakulásai A víz fagyáskor kitágul (jég feszítő ereje) Nyomásra megolvad (gleccserek vándorlása) Nagy fázisátalakulási energiákkal rendelkezik (párolgáshő). Áramlás az édesvízi tavakban 9 A víz oldóképessége A víz bonyolult szerkezetéből és specifikus sajátságaiból adódóan más molekulákkal változatos kölcsönhatásra képes. A nagy dipólusmomentum és dielektromos állandó (ε = 78,54 25 C-on) értékekből várható, hogy a víz elektromosan töltött részecskéket és dipólusmolekulákat stabilizálni, ellentétes elektromos töltéseket pedig szétválasztani képes. Az oldószerpolaritás empirikus skálái azt mutatják, hogy a víz olyan közeg, amely kationokat, anionokat és poláris nemelektrolitokat egyformán képes szolvatálni. A víz önmaga rossz vezető, de az oldott sók jó vezetőképességű oldatokat eredményeznek. 10 Vízben oldott részecskék mérete H 2 O H + (aq) + OH (aq) A víz autoprotolízise, ph ahol a H +, a OH, illetve a H2O a disszociációs reakcióban részt vevő részecskefajták aktivitását jelenti. Kellő mértékben hígított oldatokban a H2O = 1 11 ph< 7 = savas a közeg 12 2

Áramlás az édesvízi tavakban 9 A víz oldóképessége A víz bonyolult szerkezetéből és specifikus sajátságaiból adódóan más molekulákkal változatos kölcsönhatásra képes.

Savak erőssége Hidrolízis HS + H 2 O H 3 O + + S - K s = a H + a S a HS Vegyületek víz hatására lejátszódó bomlása Gyenge bázisok sói: savasan hidrolizálnak NH 4 Cl + OH - NH 4 OH + Cl - Gyenge savak

Fe(H 2 O) 6 3+ + H 2 O Fe(H 2 O) 5 OH 2+ + H 3 O +, 13 14 Gázok oldódása vizekben Széndioxid oldódása ph függvényében Henry-törvény: c G = K p G A vízben oldott gázok jelenléte vagy hiánya

3 Savak erőssége Hidrolízis HS + H 2 O H 3 O + + S - K s = a H + a S a HS Vegyületek víz hatására lejátszódó bomlása Gyenge bázisok sói: savasan hidrolizálnak NH 4 Cl + OH - NH 4 OH + Cl - Gyenge savak sói: lúgosan hidrolizálnak KCN + H + K + + HCN Az óceánok ph-ja 8-8,03, az édesvizeké 7-7,5, talajoké 4,5-9, bányavizeké 3,0-4,0. Fe(H 2 O) H 2 O Fe(H 2 O) 5 OH 2+ + H 3 O +, Gázok oldódása vizekben Széndioxid oldódása ph függvényében Henry-törvény: c G = K p G A vízben oldott gázok jelenléte vagy hiánya meghatározó a vízi élőlények életfeltételei szempontjából. A halaknak oldott oxigénre van szüksége, és szén-dioxidot bocsátanak ki, míg a vízi növényeknek a fotoszintézishez szén-dioxidra van szükségük és oxigént termelnek 15 ph-tól és a nyomástól függően rakodik ki a mészkő (cseppkő), vagy oldódik fel (barlang). A szén-dioxid (0,038 tf% száraz levegőben) parciális nyomása: 3, atm, ezért az esővíz ph=5,63 értékű. 16 A legfontosabb, vizekben lejátszódó környezeti folyamatok kölcsönhatásban az atmoszférával és a litoszférával Szénsavszármazékok átalakulásai

Állandó keménység Vizek keménysége A folyók és óceánok iontartalmának összehasonlítása Változó keménység Vízlágyítás szódával 19 A tengervíz sótartalma mintegy

20 Vizek szennyeződése Különböző vizek szennyezésének jellemzői Tengervíz: hatalmas pufferkapacitás, de lassú tisztulás Felszíni víz: Gyors hatás, de könnyű

4 Állandó keménység Vizek keménysége A folyók és óceánok iontartalmának összehasonlítása Változó keménység Vízlágyítás szódával 19 A tengervíz sótartalma mintegy 3,5%-ra tehető. A sók szárazföldről mosódtak be. 20 Vizek szennyeződése Különböző vizek szennyezésének jellemzői Tengervíz: hatalmas pufferkapacitás, de lassú tisztulás Felszíni víz: Gyors hatás, de könnyű mentesíthetőség is, nagy öntisztulási készség Felszínalatti víz: Késői felismerések, rossz öntisztulás Esővíz: gyors csere (öntisztulás) közvetlen kapcsolat a légtérrel Savas esők USA-ban Savas esők Európában A savas eső erdők kipusztulását okozza bizonyos gombafajok elszaporodása miatt

5 Hulladéktípusok a vízben Szennyezések időbeli hatása fertőzők (baktériumok, vírusok, véglények) oxigént fogyasztó anyagok eutrofizációt okozó szennyezések szerves és szervetlen vegyületek olajszennyeződés szuszpendált szilárd anyagok (pl. nehézfém) radioaktív hulladékok a felszíni vizek hősszennyezése A szennyezés terjedése és az öntisztulás vonatkozásában lényeges különbségek tapasztalhatók a felszíni és a felszín alatti vizek között. A felszíni vizek esetében a szennyezés múlékony, tartóssága néhány nap, legfeljebb néhány hét. A felszín alatti vizek szennyezése ellenben tartós, időtartama évtizedekre esetleg évszázadokra tehető Fogalmak A trofitás (termőképesség) a vízi ökoszisztéma elsődleges szervesanyag termelésének a mutatója. Mértékét a klorofilltartalmú növényzet (alga, hínár), a víz szervetlen növényi tápanyagtartalma (foszfor és nitrogén), továbbá a fényviszonyok határozzák meg. Növényi anyagok növekvő primer produkciója az édesvíz oligotróf, mezotróf, eutróf, politróf és hipertróf állapotát jelzi. A trofitás növekedése a vízi növényzet elszaporodásával (főleg algák) jár, ami fokozott eutrofizációt okoz. Fogalmak A szaprobitás a vízi ökoszisztéma szervesanyaglebontó képességeit jelenti, amely a trofitással szemben energiaveszteséggel jár. A nagy szervesanyag szennyezés esetén a szerves anyag lebontására képes mikroorganizmusok szaporodnak el, amelyek felhasználják a víz oldott O 2 -készletét. Jellemzésére a vizek biológiai (BOI) és kémiai (KOI) oxigénigénye, a szerves szén, szerves nitrogén, továbbá a szaprobiológiai elemzés (szaprobitásfok, szaprobitásindex) alkalmas Szaprobitás jellemzők Víz tápanyag szennyezések Eutrofizáció (nagy N-, P-tartalmú tápanyag beáramlása révén) felgyorsult növekedés (pl. algavirágzás) oxigénhiány, anaerob bomlás: mocsár, kiszáradás Egy átlagos biomasszában a C : N : P- tömegarány megközelítőleg 100:17:1 Eredet: műtrágya, kommunális szennyvíz

nehézfém) radioaktív hulladékok a felszíni vizek hősszennyezése A szennyezés terjedése és az öntisztulás vonatkozásában lényeges különbségek tapasztalhatók a felszíni és a felszín alatti vizek között.

Fogalmak A toxicitást a vízi ökoszisztémák élőlényeinek életműködését zavaró vagy az élőlényeket elpusztító mérgező anyagok jelenléte határozza meg.

6 Fogalmak A toxicitást a vízi ökoszisztémák élőlényeinek életműködését zavaró vagy az élőlényeket elpusztító mérgező anyagok jelenléte határozza meg. A mérgező anyag jelenlétét ismert mérgek esetén kémiai, ismeretlen mérgek esetén biológiai vizsgálati módszerekkel határozzák meg. A vízbe került anyagok toxicitásának mértékét a tesztegyedek 50%-ának halálát okozó hatás (LD 50 ). Üledékek: a foszfor hatásai Felszíni vizek medrét beborító, a folyadékfázissal egyensúlyban lévő réteget üledéknek nevezzük. A foszfát kiválhat rosszul oldódó hidroxidapatit (Ca5OH(PO4)3), vas(iii)- vagy alumínium-foszfát formájában is. A tápanyag és szennyezők által terhelt felszíni vizekben az üledékhez közeli vízrétegekben anoxikus (redukáló) körülmények között és viszonylag savas oldatban a foszfát visszaoldódhat: FePO 4 (s) + H + + e - Fe 2+ (aq) + HPO 4 2- (aq) Tekintettel arra, hogy a vizekben az ugrásszerűen megnövekedő biomassza-termelést (eutrofizációt) a foszfátkoncentráció szabályozza, a folyamat határozottan negatív hatásokra vezet. Az üledékekből a foszfátot nem, vagy nagyon költségesen lehet eltávolítani A víz oldott oxigénjét fogyasztó szennyezések Szerves vegyületek táplálék a baktériumok számára: C (a szerves vegyületben) + O 2 (vízben oldott) CO 2 4 H(a szerves vegyületben) + O 2 (vízben oldott) 2 H 2 O túlságosan lecsökkenhet az oldott O 2 koncentrációja pl.: 3 ppm C 9 ppm O-t fogyaszt 1csepp olaj C-je 5 liter víz O-jét fogyasztja Eredet: emberi/állati hulladék, ipari (élelmiszer-, papír-, bőrgyár) szennyvizek algák pusztulása további szennyeződés Biokémiai Oxigénigény (BOI, BOD) A szerves szennyezők mikroorganizmusok általi lebontásakor felhasznált oxigén mennyiséget jelenti, mértékegysége mg O 2 /l. Szerves szennyezések bakteriológiai oxidációjához általában nap szükséges, de a kísérlethez 5 nap: BOI5 Pl.: (BOI5) Friss víz: 1 mg/l Városi szennyvíz: mg/l Kémiai oxigényigény (KOI,COD) Oxidatív körülmények változása a mélységgel Oldott szerves vegyületek okozta szennyeződés: az összes szervesanyag tartalmat méri A kémiai úton oxidálható szervesanyaggal eqvivalens oxigén mennyiségét erős oxidáló vegyszerrel határozzák meg. Mérés KOI Mn, KOI Cr A szerves anyagokat még a TOC értéke is mutatja, de ez gyakran a humintartalom miatt magas. 35 A kialakult redukáló körülmények között keletkező (pl. fém-)vegyületek oldhatósága rendszerint nagyobb, így könnyebben mobilizálódnak üledékekből, ásványokból 36 6

A vízbe került anyagok toxicitásának mértékét a tesztegyedek 50%-ának halálát okozó hatás (LD 50 ).

7 Vizek szennyezésének hatása Hg példáján bemutatva A Hg idegméreg, akkummlációra hajlamos, halakban dúsul Maximum megengedhető napi dózis: 0,1 μg/kg (testsúly) Aneorob körülmények közt a Hg metileződik az üledékben és nagyságrendekkel mérgezőbb lesz. Tengeri halakban koncentrációja kiemelkedő. Régebben csávázószerként használták a mezőgazdaságban. Ipari felhasználása széleskörű (aranymosás, elektromos csatlakozás, fogászat) Szennyezések időbeli elhúzódása Egy télen levonuló olajszennyezés jelentős mennyisége megkötődhet a folyó medrében lévő üledéken. Ez nyáron felszabadulva a víz felszínére kerülhet és jelentősen gátolhatja a vízbe irányuló oxigénátadást és a magasabb hőmérséklet következtében egyébként is alacsonyabb oldott oxigén olyan mértékben lecsökkenhet, hogy a vízi élővilág pusztulásához is vezethet

Ipari felhasználása széleskörű (aranymosás, elektromos csatlakozás, fogászat) Szennyezések időbeli elhúzódása Egy télen levonuló olajszennyezés jelentős mennyisége megkötődhet a folyó medrében lévő

Hasonló dokumentumok

A FÖLD VÍZKÉSZLETE. A felszíni vízkészlet jól ismert. Összesen 1 384 000 000 km 3 víztömeget jelent.

A FÖLD VÍZKÉSZLETE. A felszíni vízkészlet jól ismert. Összesen 1 384 000 000 km 3 víztömeget jelent. A FÖLD VÍZKÉSZLETE A felszíni vízkészlet jól ismert. Összesen 1 384 000 000 km 3 víztömeget jelent. Megoszlása a következő: óceánok és tengerek (világtenger): 97,4 %; magashegységi és sarkvidéki jégkészletek: