ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1( ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ( Ο κύκλος του νερού Οι κυριότερες φυσικές δεξαμενές υδάτων στον πλανήτη μας είναι: Οι ωκεανοί που περιέχουν 132 10 9 km 3 νερού. Οι παγετοί που περιέχουν 292 10 6 km 3 νερού. Οι ποταμοί και οι λίμνες που περιέχουν 013 10 6 km 3 νερού. Οι υπόγειοι υδροφορείς (βάθους 4 km) που περιέχουν 84 10 6 km 3 νερού.
Ισοζύγιο υδρολογικού κύκλου 05 10 6 km 3 νερού εξατμίζονται από τη γη και τη θάλασσα προς την ατμόσφαιρα. Για να συντελεστεί αυτή η εξάτμιση χρειάζεται το 1/2 του ηλιακού φωτός που φθάνει στη γη. Στην ατμόσφαιρα παραμένουν περίπου 10 μέρες. Κατόπιν κατακρημνίζονται πίσω στη γη. Το 1/3 των υγρών κατακρημνίσεων που φθάνει στη γη επανέρχεται στη θάλασσα μέσω ποταμών. Το 06% των υπογείων υδάτων μεταφέρεται επίσης στη θάλασσα. "
Οι διαφορές έντασης εξάτμισης και υγρής κατακρήμνισης αλλάζουν γεωγραφικά. Ικανή ποσότητα υδρατμών μεταφέρεται μέσω ανέμων σε μεγάλο υψόμετρο όπου θα συμπυκνωθεί (λόγω διαφοράς θερμοκρασίας) και θα κατακρημνιστεί. Οι άνεμοι στην αρχή είναι ψυχροί (από τους πολικούς) προς τον Ισημερινό ζεσταίνονται: Αληγείς Β.Α. Αληγείς Ν.Α. Νηνεμία
Χρόνος Παραμονής του Η 2 Ο στις φυσικές δεξαμενές: R t = [Q res ]/[Q! "] [Q res ]: Όγκος του Η 2 Ο στη δεξαμενή [Q! "]: Όγκος του Η 2 Ο που εξατμίζεται/κατακρυμνίζεται από/προς τη δεξαμενή " R t (ωκεανοί) = 37.000 έτη R t (ατμόσφαιρα) = 10 μέρες R t (παγετοί ποταμοί λίμνες υπόγεια νερά)= 10μ - 37.000ε
Οι ιδιότητες του νερού: Η 2 Ο μια μοναδική χημική ένωση Το νερό έχει µοναδικές ιδιότητες που το καθιστούν ουσιαστικό συστατικό για την ζωή του πλανήτη. Πολλές από αυτές τις ιδιότητες του νερού στηρίζονται στην ικανότητά του να σχηµατίζει δεσµούς υδρογόνου.
Φυσική Διαστρωμάτωση των Υδάτινων Όγκων. Η Ο 2 CO 2 Τ o C επιλίµνιο θερµοκλινές υπολίµνιο Ιζηµα Βάθος
Βιολογικές Ιδιότητες των Υδατικών Οικοσυστημάτων Παραγωγικότητα ονομάζομε την ικανότητα ενός υδατικού συστήματος να παράγει έμβιο υλικό. Ύδατα με χαμηλή παραγωγικότητα χρησιμοποιούνται ως πόσιμο νερό ή για κολύμβηση. Ύδατα με σχετικά υψηλή παραγωγικότητα χρησιμοποιούνται για ιχθυοκαλλιέργειες. Υπερβολική παραγωγικότητα επιφέρει ανάπτυξη φυκών. Η αποσύνθεση των νεκρών φυκών στα ύδατα αυτά έχει ως επακόλουθο την υψηλή κατανάλωση Ο 2. Την κατάσταση αυτή ονομάζομε Ευτροφισμό. Οι υψηλά ιστάμενοι στη οικολογική πυραμίδα έμβιοι οργανισμοί (π.χ. ψάρια) επηρεάζουν λίγο την υδατική ζωή (αποτελούν μικρό ποσοστό της βιομάζας).
Ιδιότητες των φυσικών υδάτων( Οι φυσικές ιδιότητες των υδάτινων όγκων επηρεάζουν τις χηµικές και βιολογικές διεργασίες που συµβαίνουν σε αυτούς. Tα επιφανειακά ύδατα (ποταµοί ρεύµατα λίµνες φυσικές και τεχνητές) χαρακτηρίζονται από διάφορες βιολογικές ιδιότητες. Λίµνες Δ ποταµών 1. Ολιγοτροφικές: Βαθιές µε λίγα θρεπτικά διαυγείς και περιορισµένη βιολογική δραστηριότητα 2. Ευτροφικές: Εµπλουτισµένες µε θρεπτικά µε έντονη βιολογική δραστηριότητα λιγότερο διαυγείς. 3. Δυστροφικές: Ρηχές και παραφορτωµένες µε υδρόβια φυτά χρωµατισµένα ύδατα και χαµηλό ph. Έχουµε ανάµιξη γλυκών και αλµυρισµένων υδάτων φαινόµενο που συνεπάγεται µοναδικά χηµικά και βιολογικά φαινόµενα.
Ανθρωπογενείς Επεμβάσεις στον Κύκλο του Νερού Μετατροπή του χερσαίου περιβάλλοντος: Αστική Χρήση Καλλιεργήσιμες εκτάσεις Βοσκότοποι κλπ. Συνέπειες: Μικροκλιματικές αλλαγές σε περιοχές:( Ξηρασίες ή/& Πλημμύρες ( # Ανθρωπογενής Διάβρωση Εδαφών # Μεταφορά στρεών [& χημικών ουσιών] στις υδατικές δεξαμενές: Αλλοίωση Χημικών και Βιολογικών (πχ. ευτροφισμός) Χαρακτηριστικών
Πολλές παράμετροι καθορίζουν την κατανομή και την κυκλοφορία: των φυσικών χημικών ουσιών και των ρυπαντικών χημικών ενώσεων. 1) Φυσικοί παράγοντες( ( α) Η Θερμοκρασία β) Η Διαπερατότητα στο φως και γ) Η Στροβιλότητα. ( 1) Xημικοί και Βιολογικοί Παράγοντες ( ( Αντιδράσεις-Διεργασίες που συμβαίνουν στα φυσικά ύδατα: Βιολογικές (μέσω μικροοργανισμών) ή Αβιοτικές
1) Φυσικοί παράγοντες( α) Η Θερµοκρασία β) Η Διαπερατότητα στο φως και γ) Η Στροβιλότητα. Απότομες μεταβολές στην θερμοκρασία επιδρούν αρνητικά: Νερά ψύξης εργοστασίων που ρίχνονται ως απόβλητα σε υδατικά συστήματα επιβραδύνουν τις διάφορες βιολογικές διεργασίες ακόμα αυξήσεις στην θερμοκρασία είναι πολλές φορές μοιραίες για την ζωή των οργανισμών. Η διαπερατότητα είναι σηµαντική γιατί επιτρέπει την διείσδυση του ηλιακού φωτός και διατηρεί έτσι την παραγωγικότητα σε µεγάλα βάθη. Η στροβιλότητα επηρεάζει την µίξη και µεταφορά των θρεπτικών συστατικών την µεταφορά οργανισµών (πλαγκτόν) σηµαντικών για διάφορες διεργασίες και τέλος την εναλλαγή διαφόρων χηµικών ενώσεων µε την ατµόσφαιρα.
2) Χημικοί Παράγοντες-Χημεία των φυσικών υδάτων Η μελέτη των χημικών διεργασιών στα φυσικά ύδατα είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Ήδη στο εργαστήριο η μελέτη αντιδράσεων σε ελεγχόμενα υδατικά διαλύματα είναι πολύπλοκη: Π.χ. διαπιστώνουμε σημαντικές διαφορές στις διάφορες σταθερές ταχύτητας αντιδράσεων υδρόλυσης για τις ίδιες χημικές ενώσεις στη βιβλιογραφία. Τα υδατικά συστήματα είναι ανοικτά συστήματα στις μεταβολές ενέργειας και μάζας. Στα φυσικά (ανοιχτά) συστήματα δύσκολα επιτυγχάνονται σταθερές συνθήκες πραγματικής χημικής ισορροπίας. Έχουμε μία κατάσταση τύπου steady state.
Οι Βασικοί Χημικοί Παράγοντες Α) Η αλατότητα. Β) Αέρια (διαλελυμένα) στο νερό:!! Το διαλελυμένο οξυγόνο (Ο 2 ) Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Γ) Οι θρεπτικές ουσίες (νιτρικά και φωσφορικά άλατα)
Α) Αλατότητα Aύξηση της εξάτμισης Aύξηση της αλατότητας στον ωκεανό. Στους υποτροπικούς έχουμε μείωση της κατακρήμνισης (και αύξηση της αλατότητας). Η αλατότητα επιδρά κυρίως στο είδος των οργανισμών που αναπτύσσονται π.χ. θαλάσσια είδη έχουν την ικανότητα να επιβιώνουν σε υψηλές τιμές αλατότητας αντίθετα από είδη του γλυκού νερού.
Β) Αέρια (διαλελυμένα) στο νερό! Είναι κυρίως δύο: O 2 σημαντικό για τους ανώτερους οργανισμούς CO 2 σημαντικό για τη Φωτοσύνθεση Η διαλυτότητα των αερίων στο νερό υπολογίζεται με την βοήθεια του Νόμου του Henry: «Η διαλυτότητα ενός αερίου σε ένα υγρό είναι ανάλογη της μερικής πίεσης του αερίου όταν αυτό βρίσκεται σε επαφή με την επιφάνεια του υγρού».
Διαλυμένο Οξυγόνο " Το 2095% του ξηρού αέρα είναι Ο 2. Από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο προέρχεται σημαντική ποσότητα του οξυγόνου στο νερό. Επίσης έχουμε παραγωγή Ο 2 από την φωτοσυνθετική δραστηριότητα των φυκών. Το φαινόμενο αυτό εξαρτάται από το φως. Έχει διαφορετική ένταση την ημέρα και την νύχτα (καθώς την νύχτα τα φύκη καταναλώνουν Ο 2 ). Η διαλυτότητα του Ο 2 εξαρτάται: Την θερμοκρασία (TH 2 O) του νερού. Αύξηση της Τ C στο νερό έχει σαν αποτέλεσμα την ελάττωση της διαλυτότητας. H διαλυτότητα του οξυγόνου στους 0 o C είναι 147 ppm ενώ στους 35 o C είναι 703 ppm. Την μερική πίεση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Την περιεκτικότητα σε άλατα του Η 2 Ο.
Εξάρτηση της συγκέντρωσης του διαλ. οξυγόνου ως προς την αλατότητα
Η περιεκτικότητα του νερού σε οξυγόνο εξαρτάται από την κινητική των διεργασιών. Η ταχύτητα μεταφοράς Ο 2 διαμέσου της διεπιφάνειας αέρα/νερού είναι περιοριστικός παράγων. Η διαλυτότητα του οξυγόνου στα φυσικά νερά είναι: 25 C760mmHg [O2] H O = 832ppm(mg / L) 2 Η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό είναι μικρή σε σχέση με αυτή άλλων χημικών ουσιών. Έτσι αν συμβαίνουν διεργασίες που το καταναλώνουν όπως η αποσύνθεση της οργανικής ύλης έχουμε δραστική μείωση της συγκέντρωσης του οξυγόνου. [CH 2 O] + O 2 è CO 2 + H 2 O Το BOD 5 (Biochemical Oxygen Demand) ορίζεται ως η ποσότητα του οξυγόνου που καταναλώνεται κατά την βιολογική αποσύνθεση της οργανικής ύλης σ ένα υδατικό σύστημα σε διάστημα 5 ημερών. Υψηλές τιμές BOD 5 χωρίς ταχεία ανανέωση του οξυγόνου σημαίνει ότι η επιβίωση των αερόβιων οργανισμών είναι δύσκολη. Π.χ. 7.8 mg/l [CH 2 O] καταναλώνουν όλο το Ο 2 (832 mg/l) που περιέχει 1L Η 2 Ο κορεσμένο με αέρα.(
Διοξείδιο του Άνθρακα" CO 2 και ανθρακικά ιόντα και άλατα Λόγω του όξινου χαρακτήρα η διαλυτότητα του CO 2 είναι δυσκολότερο να υπολογιστεί από αυτήν του Ο 2 (ή και Ν 2 ). Διάφορες ουσίες που σχετίζονται µε το CO 2 στα - 2- φυσικά ύδατα: CO 2 HCO 3 και CO 3 επηρεάζουν σηµαντικά την χηµεία των φυσικών υδάτων. Α) Έχουµε ισορροπία του διαλυµένου CO 2 µε την ατµόσφαιρα: CO 2 2 ( H O ) CO 2 ( atm) Β) Ισορροπία CO 3 2- µεταξύ Η 2 Ο και ορυκτών: MCO 2 + 2 3 ( ελαφρ ώς διαλυτ ό) Μ + CO3 ΟΙ ΟΥΣΙΕΣ ΑΥΤΕΣ ΕΧΟΥΝ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΟ ΡΟΛΟ στο ph του Η 2 Ο.
Το CO 2 αποτελεί το 0035% του ξηρού αέρα. Διαλυτότητα του CO 2 >25 ppm καταστρέφει την υδατική ζωή. Η αποσύνθεση οργανικής ύλης από µικροοργανισµούς (βακτήρια) αυξάνει την περιεκτικότητα του νερού σε CO 2. Όταν το Η 2 Ο διαπερνά τα εδάφη που περιέχουν οργανική ύλη σε αποσύνθεση µπορούν να διαλύσουν τα πετρώµατα των εδαφών που διαπερνούν µέσω της αντίδρασης CaCO 2 + 3( s ) + CO2( aq) + H 2O Ca + 2HCO3 Στο νερό: CO + H O H CO 2( aq) 2 2 3( aq) Σταθερά ισορροπίας Κ=2 10-3 (25 C). Αυτό σηµαίνει ότι µόνο µικρό µέρος του CO 2 είναι σε µορφή H 2 CO 3(aq).
Εξάρτηση από το ph: CO 2 HCO - 2-3 CO 3 ph<6 CO 2 υπερισχύει - 6<pH<10 HCO 3 υπερισχύει 2- ph>10 CO 3 υπερισχύει περισσότερα φυσικά νερά
Αλκαλικότητα (alkalinity) ( Αλκαλικότητα: Η ικανότητα του Η 2 Ο ως δέκτη Η +. Ρυθμίζει το ph του Η 2 Ο. Αποτελεί την δεξαμενή του C ανοργ για τους οργανισμούς (π.χ. φύκη) και γενικότερα για την υδατική ζωή. Οι κυριότερες ουσίες υπεύθυνες για την αλκαλικότητα: HCO 3- CO 3 2- και OH - HCO 3 - + H + CO 2 + H 2 O( CO 3 2- +H + HCO 3 - ( OH - + H + H 2 O(
Η αλκαλικότητα μετράται ή εκφράζεται ως: Φαινολοφθαλεïνική αλκαλικότητα: -τιτλοδότηση ως το ph=83 " HCO 3 - είναι το είδος που υπερισχύει Ολική αλκαλικότητα: -τιτλοδότηση με οξύ ως το τελικό σημείο του πορτοκαλί μεθυλίου (methyl orange ph=43) το CO 3 2- και το HCO 3 - μετατρέπονται σε CO 2
Υπάρχει διαφοροποίηση µεταξύ αλκαλικότητας και βασικότητας. Για το διάλυµα (Β) το ph µπορεί να υπολογισθεί ~8.34 [Alk]= 0.100 Μ Tο διάλυµα (Β) µπορεί να εξουδετερώσει 0100 mole οξέος. [Alk] (Β) 100 φορές µεγαλύτερη από [Alk] (A) όπου το διάλυµα είναι πιο βασικό. Βασικότητα: αύξηση του ph. Aλκαλικότητα: ικανότητα κατανάλωσης Η +. Παράδειγµα: Να υπολογιστούν το ph και η αλκαλικότητα σε (Α) Διάλυµα 1.10-3 Μ ΝαΟΗ (B) Διάλυµα 0100 Μ ΗCO 3 - Το διάλυµα (Α) θα έχει ph=11. 1.10-3 Μ ΝαΟΗ θα µπορούν να εξουδετερώσουν 1.10-3 Μ mole οξέος. [Αlk]= 1.10-3 Μ.
Οξύτητα Ορίζεται ως η ικανότητα του Η 2 Ο να εξουδετερώνει ΟΗ -. Η οξύτητα φυσικών υδάτων οφείλεται στις ουσίες : H 2 PO 4- CO 2 H 2 S πρωτεΐνες λιπαρά οξέα μέταλλα όπως Fe 3+ κ.α. Al( H 3 7+ 2+ + 2 O) 6 + H 2O Al( H 2O) 5OH + H O Η οξύτητα των φυσικών υδάτων μετράται δύσκολα. ( Το CO 2 και το H 2 S είναι αέρια και μπορούν εύκολα να διαφύγουν από το δείγμα κατά τη μεταφορά. Εκτός της φυσικής οξύτητας η οξύτητα των φυσικών υδάτων οφείλεται και στη ρύπανση: ελεύθερα οξέα όπως H 2 SO 4 HCl και σε μέταλλα φαινολοφθαλεϊνική οξύτητα ph=82. methyl orange ph=43
Μεταλλικά Ιόντα στο Νερό Ο σωστός χημικός τύπος ενός μεταλλικού ιόντος στο Η 2 Ο είναι M(H O) n+ 2 x Τα ενυδατωμένα μεταλλικά ιόντα συμμετέχουν σε αντιδράσεις: 1. Οξέων/βάσεων 2. Καθίζησης 3. Συμπλοκοποίησης 4. Οξειδοαναγωγής
Τα ενυδατωµένα µεταλλικά ιόντα δρουν σαν οξέα (Brønsted) έχουν σθένος +3 ή µεγαλύτερο. Η οξύτητα: αυξάνεται µε το φορτίο και µειώνεται όταν η ατοµική ακτίνα τους (r) αυξάνεται. Fe( H 3+ 2 O) 6 Fe( H 2O) 5 OH 2+ + H + Κ=89 10-4
ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ
Γενική Σκληρότητα (General Hardness-GH): Μέτρο της συγκέντρωσης των κατιόντων Ca 2+ Mg 2+ Ανθρακική Σκληρότητα (Carbonate Hardness-KH): Μέτρο της συγκέντρωσης των ανθρακικών ΗCΟ 3- CΟ 3 2- και όχι των SO 4 2- κα. Μονάδες I) Γενική Σκληρότητα (dgh): 1dGH= 10 mg/l CaO 1dGH = 17.86 ppm CaCO 3 and 7.143 ppm Ca 2+. II) Ανθρακική Σκληρότητα (dkh): 1dKH = 17.86 mg/l CaCO 3 1dKH = 10.71 ppm CO 3 2-1dKH = 21.8 ppm HCO 3 -
Δ) Οι θρεπτικές ουσίες (νιτρικά και φωσφορικά άλατα) Η παρουσία ορυκτών συνιστά αντιδράσεις σε ετερογενείς συνθήκες λόγω συνύπαρξης στερεής και διαλυτής φάσης. Τα επίπεδα των θρεπτικών συχνά καθορίζουν την παραγωγικότητα. Σε υψηλές συγκεντρώσεις οδηγούν σε φαινόμενα ευτροφισμού. Οργανισμοί (μικροοργανισμούς) που συμμετέχουν ως καταλύτες σε χημικές διεργασίες. Η μορφή των χημικών ενώσεων (π.χ. μέταλλα ή οργανικές ενώσεις) σε ύδατα που περιέχουν μικροοργανισμούς εξαρτάται πολύ από τους οργανισμούς αυτούς.