2012.05.08.
A víz szerepe • A víz kereken 1,38·1018 t (7,65·1022 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.
Környezeti kémia 4. Előadás A hidroszféra kémiája
1
Föld vízkészletének megoszlása
2
A víz körforgása a természetben
3
Ivóvízhez jutás
A víz átlagos tartozkodási ideje különböző közegekben Atmoszféra
4
1 nap
Tavak, folyók
7 év
Óceánok felszíni rétegei
80 év
Óceánok mély rétegei
1600 év
Sarkvidéki jég, gleccser
5000 év
A legnagyobb anyagforgalom, évi 423 000 km3 az elpárolgásból és a csapadékképződésből ered. Ennek a vízcserének közel 9 %-a (37000 km3/év) a szárazföld és az óceán között zajlik le
Ivóvíznek ma már stratégiai jelentősége van. 1 milliárd ember kénytelen szennyezett ivóvizet fogyasztani, és évente 5 millió gyermek hal meg víz okozta fertőzés következtében. 5
6
1
2012.05.08.
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
Víz átalakulásai
8
A víz oldóképessége
• A víz fagyáskor kitágul (jég feszítő ereje) • Nyomásra megolvad (gleccserek vándorlása) • Nagy fázisátalakulási energiákkal rendelkezik (párolgáshő).
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.
Áramlás az édesvízi tavakban 9
10
A víz autoprotolízise, pH
Vízben oldott részecskék mérete
H2O ⇄ H+(aq) + OH–(aq)
ahol aH+, a OH–, illetve aH2O a disszociációs reakcióban részt vevő részecskefajták aktivitását jelenti. • Kellő mértékben hígított oldatokban aH2O = 1
pH< 7 = savas a közeg 11
12
2
2012.05.08.
Savak erőssége
Hidrolízis • Vegyületek víz hatására lejátszódó bomlása – Gyenge bázisok sói: savasan hidrolizálnak 𝑁𝐻 4Cl + OH- ⇄ NH4OH + Cl– Gyenge savak sói: lúgosan hidrolizálnak
𝐻𝑆 + 𝐻2𝑂 ⇄ H3O+ + S-
𝐾𝑠 =
KCN + H+ ⇄ K+ + HCN
𝑎𝐻+ × 𝑎𝑆− 𝑎𝐻𝑆
• Az óceánok pH-ja 8-8,03, az édesvizeké 7-7,5, talajoké 4,5-9, bányavizeké 3,0-4,0. Fe(H2O)63+ + H2O ⇄ Fe(H2O)5OH2+ + H3O+, 13
14
Széndioxid oldódása pH függvényében
Gázok oldódása vizekben Henry-törvény:
cG = K × pG
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: 3,68×10–4 atm, ezért az esővíz pH=5,63 értékű. 16
Szénsavszármazékok átalakulásai
A legfontosabb, vizekben lejátszódó környezeti folyamatok kölcsönhatásban az atmoszférával és a litoszférával
17
18
3
2012.05.08.
Vizek keménysége
A folyók és óceánok iontartalmának összehasonlítása
• Állandó keménység
• 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
21
Savas esők USA-ban
22
Savas esők Európában
A savas eső erdők kipusztulását okozza bizonyos gombafajok elszaporodása miatt. 23
24
4
2012.05.08.
Szennyezések időbeli hatása
Hulladéktípusok a vízben • • • • • • • •
• 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.
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 25
Fogalmak
26
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.
• 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 O2-készletét. Jellemzésére a vizek biológiai (BOI) és kémiai (KOI) oxigénigénye, a szerves szén, szerves nitrogén, továbbá a szaprobiológiai elemzés (szaprobitásfok, szaprobitásindex) alkalmas.
27
Szaprobitás jellemzők
28
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 : Ptömegarány megközelítőleg 100:17:1 • Eredet: műtrágya, kommunális szennyvíz
29
30
5
2012.05.08.
Üledékek: a foszfor hatásai
Fogalmak
• 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: FePO4(s) + H+ + e- Fe2+(aq) + HPO42-(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 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 (LD50). 31
A víz oldott oxigénjét fogyasztó szennyezések • Szerves vegyületek táplálék a baktériumok számára:
– C (a szerves vegyületben) + O2(vízben oldott) CO2 – 4 H(a szerves vegyületben) + O2(vízben oldott) 2 H2O
• túlságosan lecsökkenhet az oldott O2 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
32
Biokémiai Oxigénigény (BOI, BOD) • A szerves szennyezők mikroorganizmusok általi lebontásakor felhasznált oxigén mennyiséget jelenti, mértékegysége mg O2/l. • Szerves szennyezések bakteriológiai oxidációjához általában 20-30 nap szükséges, de a kísérlethez 5 nap: BOI5 • Pl.: (BOI5) – Friss víz: – Városi szennyvíz:
• algák pusztulása további szennyeződés
1 mg/l 100 – 400 mg/l
33
34
Oxidatív körülmények változása a mélységgel
Kémiai oxigényigény (KOI,COD) • Oldott szerves vegyületek okozta szennyeződés: az összes szervesanyag tartalmat méri • A kémiai úton oxidálható szervesanyaggal eqvivalens oxigén mennyiségét erős oxidáló vegyszerrel határozzák meg. • Mérés KOIMn, KOICr • A szerves anyagokat még a TOC értéke is mutatja, de ez gyakran a humintartalom miatt magas.
A kialakult redukáló körülmények között keletkező (pl. fém-)vegyületek oldhatósága rendszerint nagyobb, így könnyebben mobilizálódnak üledékekből, ásványokból 35
36
6
2012.05.08.
Vizek szennyezésének hatása Hg példáján bemutatva
Szennyezések időbeli elhúzódása
• 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)
37
• 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. 38
7
