Некоторые сведения о воде

ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ ВОДЫ

Молярная масса, г/моль	18,016
Температура °С замерзания °С(при P=0,1МПа)	0,00
Температура кипения °С	100,00
Температура при максимальной плотности, °С	3,98
Плотность воды в г/см при температуре 0°С	0,99987
Плотность воды в г/см при температуре 3,98°С	1,00
Плотность воды в г/см при температуре 20°С	0,99823
Критическая температура воды, °С	374,2
Критическое давление воды, МПа	22,1
Критическая плотность воды, кг/м	0,324
Относительная диэлектрическая постоянная при температуре в 0°С	88,2
Относительная диэлектрическая постоянная при температуре в 20°С	80,4
Относительная диэлектрическая постоянная при температуре в 100°С	55,1

Химически чистая вода - жидкость без запаха, вкуса, цвета, состоит из 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода.

ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА ВОДЫ

Молекулы воды расположены в форме неправильного тетраэдра: в центре - атом кислорода, в противоположных углах одной из граней куба - два атома водорода, угол между которыми составляет 104°31’. Два из восьми электронов атома кислорода расположены около ядра, два других связаны с атомами водорода, а две пары электронов образуют ветви, расположенные в направлении, противоположном электронным облакам водорода.

Ветви электронных облаков являются областями сосредоточения отрицательных зарядов, они обусловливают водородную связь между молекулами воды и других веществ.

СТРУКТУРА ЖИДКОЙ ВОДЫ

В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы).

Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что при плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты, а также ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0 °С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от общего количества.

В теории структуры воды, созданной Берналом и Фаулером, существование максимума плотности воды при температуре 4 °С объясняется тем, что при этой температуре преобладающая часть молекул воды связана в кварцеподобную структуру, а при других температурах они имеют тридимитоподное кристаллическое строение, соответствующее меньшей плотности.

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ВОДЫ

Вода - продукт соединения двух химических элементов, имеющих несколько изотопов. Для водорода известны три изотопа:

протий -массовое число 1;

дейтерий -массовое число 2;

тритий -массовое число 3.

Содержание дейтерия в природной смеси изотопов водорода 0,014-0,015 %. Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18, соотношение которых в природной смеси изотопов равно 2670:1:5.

Природная вода является смесью различных видов молекул следующего состава:

Вода - это смесь девяти различных видов молекул, поэтому в зависимости от их количественного соотношения изменяются свойства воды, особенно ее плотность.

АНОМАЛИИ ВОДЫ

Простейшую формулу имеет молекула парообразной воды- гидроль. Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объединение двух простых молекул - дигидроль, а в твердом состоянии - трех простых молекул - тригидроль.

В составе льда преобладают молекулы тригидроля, в составе водяного пара (при температуре свыше 100°С) - молекулы гидроля, а в капельно-жидкой воде - смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношения между которыми меняются с изменением температуры.

Особенностями структуры воды обусловлены ее следующие аномалии:

1) наибольшую плотность вода имеет при 4 °С, с понижением температуры до 0 °С или с повышением до 100 °С плотность ее уменьшается;

2) объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%, при этом твердая фаза становится легче жидкой;

3) вода обладает высокой удельной теплоемкостью, которая с повышением температуры до 40 °С уменьшается, а затем вновь увеличивается;

4) вода обладает весьма большой удельной внутренней энергией (318,8 Дж/кг);

5) вода замерзает при 0 °С, с увеличением давления температура замерзания понижается и достигает своего минимального значения (-22°С) при давлении 211,5 МПа;

6) вода обладает наибольшим удельным количеством теплоты (2156 Дж/кг) при температуре 100 °С;

7) вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью при 20 °С;

8) вода обладает самым большим поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями.

При взаимодействии со щелочами вода ведет себя, как кислота, а при взаимодействии с кислотами - как основание. В процессе реакции активных металлов и воды выделяется водород. Вода вызывает процесс обменного разложения (гидролиз), взаимодействуя с некоторыми солями.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Температура воды подземных источников колеблется от 8 до 12 °С.

Постоянство температуры подземных вод в разное время года указывает на отсутствие подтока поверхностных вод

Оптимальной температурой воды для питьевых целей считается 7-10 °С, предельно допустимой 35 °С.

Запах, вкус и привкус воды зависят главным образом от рода примесей, содержащихся в воде и обусловливаются наличием растворенного в ней сероводорода, солей железа, марганца и различных органических примесей. Характер и интенсивность запахов и привкуса воды устанавливаются органами чувств.

Вода может иметь:

а) запахи естественного происхождения - от живущих и отмерших в воде организмов, от влияния веществ, содержащихся в грунтах и древесине сруба колодцев;

б) запахи искусственного происхождения - от различных сточных вод, от обработки воды различными реагентами и т.д.

К запахам естественного происхождения относятся: ароматический, болотный, гнилостный, землистый, рыбный, сероводородный и т.д. К запахам искусственного происхождения относятся фенольный, камфарный, хлорный и др.

Вкусовая характеристика воды оценивается четырьмя видами: соленым, горьким, сладким и кислым. Интенсивность запаха, вкуса и привкуса оценивается по условной пятибалльной системе по ГОСТ 3351-74.

Согласно ГОСТу питьевая вода должна иметь запах и привкус не более 2 баллов при 20 °С

Прозрачность воды характеризуется наличием в ней взвешенных и коллоидных примесей и определяется согласно ГОСТ 3351-74 по "Кресту" или по "Шрифту".

Сущность определения прозрачности воды по "Кресту" сводится к тому, что воду наливают в стеклянный цилиндр высотой 3500 мм. На дно цилиндра помещают фарфоровый кружок, разделенный двумя перпендикулярными линиями толщиной 1 мм на 4 равные сектора. В центре каждого сектора имеется черная точка диаметром 1 мм. Вблизи нижней части цилиндра устанавливают искусственный источник света - электролампочку в 300 Вт. Глаз испытателя должен располагаться примерно на 5 см выше верха цилиндра. Высота столба воды (в см) соответствует тому моменту, когда становятся отчетливо видимы черные точки на фарфоровом кружке, т.е. она выражает собой прозрачность воды по "Кресту".

Прозрачность воды по "Шрифту" определяют на приборе Снеллена, который представляет собой стеклянный градуированный цилиндр высотой не менее 30 см, укрепленный на подставке, под которую подкладывают стандартный шрифт. Высота столба воды (в см), через который еще возможно чтение шрифта, определяет прозрачность воды по "Шрифту".

Для воды питьевого качества норма прозрачности по "Кресту" 300 см, по "Шрифту" 30 см.

Цветность воды. Цветностью воды называется ее окраска, вызываемая гумминовыми и танниновыми веществами, коллоидными соединениями железа, а также сточными водами некоторых производств. Причиной окраски различных подземных вод могут быть вещества, извлекаемые водой из торфа, гумуса, болотной почвы, отмерших растений.

Цветность придает воде неприятный вид и может влиять на качество продукции некоторых производств

Цветность воды измеряется в градусах платиново-кобальтовой шкалы по ГОСТ 3351-74. За 1° цветности принимается цветность раствора по платиново-кобальтовой шкале, содержащего в 1 л 2,49 мг хлорплатината калия и 2 мг хлористого кобальта.

Согласно ГОСТу для питьевой воды цветность допускается не более 20°. По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы цветность воды может быть до 35°.

Мутность воды определяется на мутномерах путем сравнения мутности испытуемой воды с эталонами, приготовленными из инфузорной земли или каолина, имитирующих разную степень мутности воды.

Мутность питьевой воды согласно стандартной шкале должна быть не более 1,5 мг/л.

Взвешенные вещества не всегда присутствуют в воде подземных источников. Взвешенные вещества попадают в воду этих источников в результате проникновения с дождевыми и талыми водами песчаных и глинистых частиц.

Концентрация взвешенных веществ в воде в разное время года неодинакова и может изменяться в десятки и сотни раз.

Согласно ГОСТу допускаемое содержание взвешенных веществ в питьевой воде должно быть не более 2 мг/л, а в оборотной воде 50-200 мг/л.

Электропроводность воды тем выше, чем больше ее солесодержание. Этим обстоятельством пользуются при контроле работы отдельных очистных сооружений и аппаратов водоподготовки - натрий-катионирования и при ионитовом обессоливании воды.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Активная реакция воды (pH), или водородный показатель - есть степень кислотности или щелочности воды и количественно характеризуется концентрацией водородных ионов.

Согласно ГОСТу pH питьевой воды должна быть в пределах 6,5-8,5.

Щелочность природных вод, как правило, обусловливается присутствием в ней бикарбонатов и гуматов, т.е. солей слабых органических кислот. Щелочность выражается в моль/л.

Жесткостью называют суммарную концентрацию в ней ионов кальция и магния (в моль/л или в градусах). 1° жесткости соответствует 0,357•10 моль/л, а 1•10 моль/л соответствует 2,8° жесткости.

Различают жесткость общую, карбонатную, некарбонатную. Карбонатной жесткостью называется часть общей жесткости, обусловленная содержанием в воде бикарбонатов и карбонатов кальция и магния. Некарбонатная жесткость обусловливается содержанием в воде главным образом сульфатов и хлоридов кальция и магния и в меньшей мере - нитратов и силикатов кальция и магния (гипс, хлористый магний).

Пользование водой повышенной жесткости вызывает перерасход мыла, усиленный износ белья при стирке, затрудняет варку овощей, мяса и др.

Согласно ГОСТу величина общей жесткости воды питьевого качества установлена не выше 7•10 моль/л, а в особых случаях по согласованию с СЭС - не выше 10•10 моль/л.

Сухой остаток . Общим (плотным) остатком называется показатель, характеризующий концентрацию в воде примесей (кроме газов) в основном неорганического и частично органического происхождения. Он определяется как остаток от упаривания известного объема нефильтрованной пробы, высушенной при 110°С до постоянной массы.

Растворенный (сухой) остаток отличается от общего (плотного) только тем, что пробу воды перед выпариванием фильтруют.

Прокаленным остатком называют показатель, характеризующий содержание в воде неорганических примесей (кроме газов) и определяемый взвешиванием остатка после упаривания известного объема воды и прокаливания при 800°С. В зависимости от того, фильтруют или не фильтруют воду перед ее упариванием и прокаливанием, различают прокаленный растворенный остаток и прокаленный общий остаток. Прокаленный растворенный остаток, по существу, характеризует солесодержание воды.

Согласно ГОСТ 17.1.3 03-77 для питьевого водоснабжения может быть выбран источник, растворенный остаток в воде которого не превосходит 1000 мг/л. В противном случае необходимо принимать меры по снижению растворенного остатка до указанной нормы.

По содержанию растворенных веществ воды можно подразделять на: а) пресные , с содержанием растворенных веществ до 0,1%; б) соленые , с содержанием растворенных веществ от 0,1 до 5%.

Согласно ГОСТу сухой остаток в питьевой воде должен быть не более 1000 мг/л.По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы содержание сухого остатка допускается до 1500 мг/л.

Железо в природных водах может содержаться в ионной форме (двух- и трехвалентное железо в виде неорганических и органических коллоидов), в виде комплексных соединений или тонкодисперсной взвеси

В подземных водах чаще всего встречается растворенное двухвалентное железо. В подземных водах содержание железа может колебаться от тысячных долей до десятков миллиграммов в 1 л.

Согласно ГОСТу содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л.

При использовании подземных вод без установок по обезжелезиванию воды по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы содержание железа в воде, поступающей в водопроводную сеть, допускается до 1,0 мг/л.

Сульфаты и хлориды встречаются во всех природных водах и чаще всего в виде кальциевых, магниевых и натриевых солей. Естественное содержание сульфатов в артезианских и грунтовых водах обусловлено выветриванием пород и биологическими процессами в водоносных слоях.

Содержание сульфатов в подземных водах может быть обусловлено перетоком в намечаемый к использованию водоносный горизонт вод из других водоносных горизонтов. Повышенное содержание сульфатов и хлоридов обусловливает повышенный растворенный остаток воды. При некоторых сочетаниях содержания сульфатов и хлоридов при концентрации SO больше 250 мг/л и при концентрации Cl от 0 до 3000 мг/л вода приобретает коррозийные свойства по отношению к бетонам, затворенным на портландцементе. Большое количество хлоридов в воде может быть вызвано вымыванием поваренной соли или других хлористых соединений из соприкасающихся с водой пластов. В последнем случае в воде наблюдается присутствие аммиака, нитритов, повышенная окисляемость и плохие бактериологические показатели.

Воды, содержащие более 500 мг/л сульфатов и более 350 мг/л хлоридов, отрицательно влияют на желудочно-кишечный тракт человека. Согласно ГОСТу содержание хлоридов в питьевой воде должно быть не более 350 мг/л, а сульфатов не более 500 мг/л.

Азотсодержащие вещества- аммиак (NH ), нитриты (NO ) и нитраты (NO ) образуются в результате разложения белковых соединений, попадающих почти всегда со сточными бытовыми водами. Наличие в воде аммиака и отсутствие нитритов указывает на свежее загрязнение воды, а совместное их присутствие свидетельствует о том, что с момента первичного загрязнения прошел некоторый период времени. Отсутствие аммиака при наличии нитритов и особенно нитратов указывает на то, что загрязнение произошло давно и вода самоочищается.

Допустимой для питьевых целей считается вода, содержащая лишь следы аммиака и азотистой кислоты (нитритов) и не более 10 мг/л азотной кислоты (нитратов).

Повышенное содержание нитратов (более 50 мг/л) в воде, постоянно используемой для питьевых нужд, приводит к нарушению окислительной функции крови

Окисляемость воды. В природных водах содержатся в тех или иных количествах органические вещества в коллоидном или истинно-растворенном состоянии. Вещества появляются в воде вследствие распада растительных и животных организмов или в результате сброса промышленных либо бытовых сточных вод.

Окисляемость воды обусловливается содержанием в ней органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей (сероводород, закисное железо и др.). Количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя, называется окисляемостью. Окисляемость природных вод колеблется от 1 до 60 мг/л кислорода, а в болотных водах может достигать сотен мг/л кислорода.

Наименьшая величина окисляемости у артезианских вод 1-3 мг/л О . Окисляемость в пределах 20-60 мг/л характерна для вод, расположенных в болотистых местностях, и служит указанием на загрязнение воды. По окисляемости можно приблизительно установить содержание органических веществ в воде. Резкое увеличение окисляемости воды источника свидетельствует о его загрязнении сточными водами.

Предварительная обработка воды на водоочистных сооружениях только частично устраняет указанные загрязнения.

Всякая вода содержит легко- и трудноокисляющиеся органические вещества, и в зависимости от степени загрязнения они могут быть окислены сильными окислителями - перманганатом, бихроматом и др.

Сероводород помимо неприятного запаха и коррозионных свойств, которые он придает воде, способен вызывать зарастание труб вследствие развития серобактерий.

Растворенный кислород. Вода, соприкасающаяся с воздухом, содержит кислород в равновесной концентрации, зависящей от атмосферного давления, температуры и содержания растворенных в воде солей.

Равновесная концентрация кислорода в дистиллированной воде, которая при нормальном давлении соприкасается с воздухом, не содержащим углекислый газ, и насыщена водяным паром, составляет 20,9 мг/л; при 0 °С равновесная концентрация кислорода в природной воде равна 14,65 мг/л.

Растворенного кислорода в воде должно быть не менее 4 мг/л в любой период года.

Мышьяк обычно находится в воде в виде арсенатов. В подземных водах арсенаты присутствуют редко.

Мышьяк входит в состав некоторых минеральных, а также шахтных вод. В подземные воды мышьяк попадает из сточных вод обогатительных фабрик, из отходов производства красителей, кожевенных, химических и металлургических заводов. Мышьяк может содержаться в смывах с площадей земли, где применяли инсектициды, содержащие мышьяк.

Содержание мышьяка в питьевой воде должно быть не более 0,05 мг/л.

Фтор. Содержание в питьевой воде фтора согласно ГОСТу допускается не более 1,5 мг/л для I и II климатических районов и 1,2 мг/л для III климатического района.

Медь, цинк, марганец. Согласно ГОСТу содержание меди в питьевой воде не должно превышать 1 мг/л, цинка 5 мг/л, марганца 0,1 мг/л.

Кремниевая кислота. Наличие кремниевой кислоты в воде препятствует использованию ее в котлах высокого давления. В некоторых подземных водах SiO содержится до десятков мг/л.

БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

Для оценки бактериального благополучия воды пользуются так называемым коли-титром, равным числу миллилитров воды, в которой обнаружена одна кишечная палочка, или коли-индексом - числом кишечных палочек в 1 л воды. Чем выше цифровое значение коли-титра, чем ниже значение коли-индекса, тем благополучнее вода в бактериальном отношении.

Согласно ГОСТу коли-титр должен быть не менее 300, а коли-индекс очищенной воды соответственно не более 3

Вторым показателем бактериологических свойств воды является общее число бактерий в 1 мл. Для питьевой воды общее число бактерий в 1мл воды должно быть не более 100.

Если кишечная палочка найдена в 100 мл воды, то эта вода считается "чистой", если в 10 мл - "достаточно чистой", если в 1 мл - "сомнительно чистой". При наличии кишечной палочки в 0,1 мл воду считают сильно загрязненной и непригодной для использования.