Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология
Подождите немного. Документ загружается.
Т.А.
Карюхина,
И.Н.
Чурбанова
ХИМИЯ
ВОДЫ
И
МИКРОБИОЛОГИЯ
3-е
издание,
переработанное
и
дополненное
Рекомендовано
!'ОС1<:омвузом
России
в
качестве
учебника
для
средних
сnецuаЛЬ1lЫХ
учебн'ЫХ
заведений
Москва
Стройиздат
1995
ББК
38.761
К27
УДК
628.1.03:(54+576.8) (075.32)
ФедеРШlЫlаJb
целевая
приграмма
кнuгоuздан.uя
России
Рецен.зент
-
проф.
Е.И.
Медведева
Реда"тор
М.В.
-
Перевалюк
Карюхина
Т.А.,
Чурбанова
И.Н.
К27
ХИМИЯ
воды
и
микробиология:
}Тчеб.
ДЛЯ
технику-
мов.
-
З-е
изд.,
перераб.
и
ДОП.
-
М.:
Стройиздат,
1995. -
208
С.:
ил.
ISBN 5-274-00455-5
Рассмотрены
теоретические
основы
химии
воды.
Изложены
осно
вы
морфологии
и
физиолоmи
микроорганизмов,
участвующих
в
биологических
процессах
в
естественных
условиях
и
на
очистных
соо
ружениях
систем
водоснабжения
и
водоотведения.
Приведеп
состав
и
дана
оценка
качества
природных,
питьевой
И
:ТQЧНЫХ
ВОД.
Изд.
2-е
вы
шло
в
1983
г.
Изд.
3-е
переработано
и
дополнено
в
соответствии
с
но
выми
техническими
решениями
и
нормативными
документами.
Для
учащихея
средних
специальных
учебных
заведений
по
специальности
"Эксплуатация
оборудования
и
систем
водоснабжения
и
водо
отведения"
.
330900000о
-445
К----------
Без
объявл.
047(01) - 9S
©
Стройиздат,
1974
ББК
38.761
ISBN
5-274-00455
..
5
©
Карюхина
Т.А.,
Чурбанова
И.Н.,
1995,
с
изменениями
•
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рациональное
использование
BoдHыx
ресурсов
и
сохра
нение
чистоты
ПРИРОДНЫХ
водоисточников
-
составная
часть
проблемы
охраны
окружающей
среды.
Вода
-
один
из
важнейших
компонентов
системы
жизнеобеспечения.
oгpoMHые
количества
ВОДЫ
необходимы
ДJ1:Я
удовлетворения
Быовыых
потребностей
населения,
для
нужд
промышленности
и
сельского
хозяйства.
Использо
вание
Boды
практически
всегда
сопровождается
ее
загряз
нением,
а
неизбежный
возврат
ЭТОЙ
воды
в
водоемы
приводит
в
свою
очередь
к
загрязнению
природных
вод.
Для
поддержания
благоприятной
экологической
обстановки
в
ближайшие
roды
предстоит
решить
ряд
задач
как
по
разработке
и
внедрению
безотходных,
энерrocберегающих
технологий
в
промы:шленности,
так
и
по
обеспечению
на
селения
чистой
водой.
С
этой
целью
при
проектировании
и
строительстве
очистных
станций
систем
водоснабжения
и
водоотведения
предусматривается
применение
современ
ных
сложных
И
разнообразных
физико-химических,
химических
и
биологических
методов
обработки
и
очистки
природных
И
сточных
вод.
Для
эффективной
экспЛуатации
систем
водоснабжения
и
водоотведения
требуется
высококвалифицированный
персонал.
Предлагаемое
справочное
пособие
позволит
специалистам
ознакомиться
с
проблема
ми
,
возникающими
в
процессе
проектирования,
строительства
и
эксплуатации
систем
водоснабжения
и
водоотведения.
Пособие
может
быть
использовано
в
качестве
учебника
ДJlЯ
учащихся:
средних
специа.пьных
учебных
заведений.
РАЗДЕЛ
1.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
ХИМИИ
ВОДЫ
г
л
а
в
а
1.
ВОДА
И
ЕЕ
СВОЙСТВА
Вода
-
одно
из
самых
распространенных
веществ
на
нашей
планете;
она
имеет
огромное
значение
в
эволюции
как
живой,
так
инеживой
природы.
На
земле
происходит
непрерывный
круговорот
Boды.
В
результате
испарения
во
ды
в
поверх:u:ости
океанов
и
суши
и
выделения
вла~
рас
тениями
и
живыми
существами
атмосфера
насыщается
парами
Boды.
Неравномерное
нагреваJIие
атмосферы
вызы
вает
в
ней
крупномасштабные
перемещения
воздушных
масс
над
поверхностью
земного
шара,
а
вследствие
кон
денсации
вода
снова
возвращается
на
землю
в
виде
росы,
дождя,
града
и
снега.
Часть
воды
испаряется
непосредственно
с
почвы
и
пок
рывающей
ее
растительности
сразу
же
после
выпадения
на
землю.
Другая
часть
просачивается
в
почву,
где
она
либо
задерживается
и
используется
растениями,
либо
проникает
в
подпочвенные
горизонты,
где
соединяется
с
грунтовыми,
а
затем
через
них
и
с
поверхностными
водами.
Наконец,
некоторое
количество
Boды
остается
на
поверх
ности
почвы,
постепенно
стекая
в
поверхностные
водотоки.
Вследствие
постоянного
контакта
с
окружающей
средой
и
включения
в
эту
среду
вода
всегда
содержит
какие-либо
вещества
и
практически
никогда
не
бывает
химически
чистой.
В
то
же
время
характер
процессов,
протекающих
с
участием
ВОДЫ
t
во
многом
определяется
ее
свойствами
как
индивидуального
вещества.
1.
МОЛЕКУЛА
ВОДЫ
Вода,
или
оксид
водорода
Н20,
имеет
молекулярную
массу
18,016.
Ца
водород
приходится
11,19%
MacCbl
t
на
кислород
- 88,81
%.
В
природе
встречаются
три
изотопа
водорода:
1
Н
протий,
2
н
-
~ейтерий
и
3
н
-
тритий
и
три
изотопа
кислорода
160,
О
и
180,
образующих
9
УСТОЙЧИВЫХ
изо
топных
модификаций
молекул
воды.
В
природной
воде
на
4
а)
6)
6) _
----
о
н
N
+
+
Рис.
1.
Строение
молекулы
воды
а
-
угол
между
валентными
связями
О-Н;
б
-
структура
электрон
..
ного
облака;
в
-
расположение
зарядов
долю
l
и2
16
0
по
массе
приходится
99,73%1
на
ДОЛЮ
l
н2
18
0
-
0,2%,
на
l
н2
17
0
-
0,04%
и
на
И2и
16
0
около
0,03 % ;
остальные
пять
разновидностей
содержатся
в
НИЧТОЖНЫХ
количествах.
ПОМНЯ
О
многообразии
состава
ВОдЫ&
мы
тем
не
менее
пользуемся
привычойй
формулой
l
н2
1
О,
так
как
она
является
символом
основноro
компо
нента.
В
молекуле
воды
ядра
водорода
и
кислорода
образуют
равнобедренный
треугольник,
в
основании
которого
нахо
ДЯТСsr
два
мелких
ядра
водорода,
в
вершине
-
более
круп
ное
ядро
кислорода.
Валентный
угол
у
центральноro
атома
кислорода,
образован~ый
связями
Н-О-Н,
составляет
104027'
(рис.
1,
а).
Структура
электронноro
облака
моле
кулы
схематично
показана
на
рис.
1,
б.
Две
внешние
пары
электронов,
образующих
связи
О-Н,
смещены
IC',
атому
кислорода,
поэтому
вблизи
ядер
атомов
водорода
создается
избыток
положительного
заряда.
Две
неподеленные
пары
электронов
также
смещены
относительно
ядра
атома
кисло
рода,
и
ИХ
отрицательные
заряды
остаются
частично
не
скомпенсированными.
Условно
можно
представить,
что
ле
пестки
электронного
облака
направлены
к
вершинам
частично
искаженного
тетраэдра,
что
иллюстрируется
рис.
1 t
8.
Ассиметричность
распределения
электрических
зарядов
обусловливает
ярко
выраженные
полярные
свойства
молекулы
воды,
которая
представляет
собой
диполь
с
очень
высоким
электрическим
моментом.
Измерения
молекулярной
массы
жидкой
воды
показали,
что
она
выше
молекулярной
массы
Boды
в
паJЮQ6разном
состоянии;
это
свидетельствует
об
ассоциации
молекул
-
объединении
ИХ
в
сложные
агрегаты.
Вследствие
тетра
эдрической
направленности
электронного
облака
каждая
5
~
I
о
- ,
о
- z
_ J
I
PJlG.
2.
Схема
взаимодействии
мо..леJCYJI
воды
8
структуре
льда
J -
кислород;
2 -
водород;
3-
химичесJCие
связи;
4 -
водородные
С8J1ЗИ
..........
--
-
/;
молекула
воды
может
обраэоват~
четыре
водородные
связи,
которые
обусловливают
ассоциацию
молекул
воды
и
спо
собствуют
возникновению
ее
упорядоченной
Вl:Iутренней
структуры.
Водородные
связи
непрочны,
легко
разрушаются
и
обра
зуются
даже
при
обычных
тепловых
движениях
молекул.
Полностью
все
четыре
водородные
св.яЗJl
реализуются
при
замерзании
воды.
В
твердом
СОСТОЯНИИ
каждая
моле
кула
тетраэдрически
окружена
четырьмя
друmми
-
'rремя
из
того
же
слоя
и
одной
их
соседнего
слоя
молекул.
Схема
взаимодействия
молекул
воды
в
структуре
льдз"показана
на
рис.
2.
Структура
льда
является
наиболее
упорядочен
ной
и
наименее
плотной.
Ее
особенность
заключается
в
наличии
пустот,
размеры
которых
превышают
размеры
мо
лекул.
2.
СВОЙСТВА
ВОДЫ
Чистая
вода
-J
жидкость
без
запаха,
вкуса
и
цвета
(лишь
в
слое
ТОЛЩИНОЙ
более
2
м
голубоватая).
Основные
физические
характеристики
ВОДЫ
(при
давлении
0,1
МПа)
следующие:
Температура:
замерзания,
плааления
.....
,
.............•
оОс
кипения
. . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
ооОс
Плотность
при
температуре,
ОС:
О
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,99984
г/см
3
3,98
..........................
0,9999;
Г'см'·
20
............................
0.9982
1/
Удельная
теплоемкость
воды при
1-
20
0
с
...
4.178
Дж/
(Г.К)
Вязкость
при
температуре,
ОС:
6
о
. . . . . . . .
,.
.
..
. . . , . . . .
..
. . . . . . . 0,001793
Па·с
25
.......................
.••••••
О,()()()895
па
·
с
Удельная
электрическа.51
проводимQC1'Ь
-'
при
t-
2О
0
с
....
;
..................
4,2"10
СЫ/М
ОтнОСИТ6Лltнаи
диэлектрическ"
ПОСТ08ннаll
при
t
..
2О
0
с
J.
81
Поверхностное
наТllжение
при
t"ISoc
........
73·10·
Н/М
По
сравнению
с
другими
химическ~ми
соединеииSlМИ
вода
обнаруживает
необычные
отклонеиия:
по
рцу
физических
свойств
-
плотности,
удельной
теплоемкости
и
др.
Эти
аномалии
воды
в
значительной
степени
св.завы
с
ассоциацией
ее
молекул.
УникалЬНЫМ
свойством
воды
являетс.к
ее
способность
при
обычных
температурах
и
давлении
иаХОДИТЬСt: в
трех
aгpeгaTныx
СОСТОЯНИjlХ:
твердом
(лед)
,
жидкрм
Н
газооб
разном
(пар)
•
повыениее
температуры
воды
действует
Д80ПО:
ВЫЗЫ
вает
нарушение
реГУJl5lРНОЙ
структуры
R
ПРИВОДИТ
IC
теп
...
ловому
расширению.
В
интервале
температур
от
О
до
4
0
с
(плавление
льда)
происходит
разрушение
части
водородных
связей,
Т.е.
нарушается
структура
JlЬДЗ,
достигается
более
плотная
упаковка
молекул
в
результате
размеIЦения
отделЬНЫХ
молекул
воды
в
пустотах
оставшихся
агрегатов.
В
этом
интервале
температур
фактор
нарушения
структуры
преобладает
над
тепловым
расширением,
и
ПJIОТИОСТЬ
воды
повышетс5l,'
достигая
максимального
значения
при
3,9В
0
С.
При
3,9В
0
С
оба
фактора
взаимно
уравновешиваются.
Даль
нейшее
нагревание
ВОДЫ
ДО
lOOOC
сопровождаетсSl
нормаль
ным
снижением
плотности,
так
как
преобладает
действие
теплового
расширения.
Эта
аномалия
обусловливает
воз
можность
ЖИЗНИ
в
водоемах,
замерзающих
в
зимнее
время.
Поскольку
лед
легче
ВОДЫ
(еГо
плотность
меньше),
то
он
располагается
на
поверхности
и
защищает
лежащие
ниже
слои
Boды
от
промерзания.
При
дальнейшем
понижении
температуры
увеличивается
толщина
слоя
льда,
но
темпе
ратура
ВОДЫ
подо
льдом
остается
иа
уровне
4
0
с,
что
поз
воляет
BoдHым
организмам
сохранпь
жизнь.
Большое
значение
в
жизни
природы
имеет
также
и
тот
факт,
что
вода
обладает
аномально
выокойй
теплоем
костью
- 4,18
Дж/(г"К).
Высокая
теплоемкость
воды
есть
следствие
расхода
части
теплоты
на
раЗРЫВ
BoдopoдHыx
связей.
В
при
родных
условиях
вода
медленно
остывает
и
медленно
нагревается:,
SlВЛЯЯСЬ
регулятором
температуры
на
Земле.
7
Вязкость
(способность
ЖИДКОСТИ
оказывать
сопротивление
различныt.t
формам
движения)
Boды
зако
номерно
изменяется
в
зависимости
от
температуры: умень
шается
с
ее
возрастанием.
С
повышением
концентрации
pacтBopeнных
в
воде
солей
вязкость
увеличивается.
В
то
же
время
действие
давления
на
ВЯЗКОСТЬ
Boды
ДОВОЛЬНО
специфично:
с
понижевием
температуры
при
умеренном
давлении
вязкость
воды
снижаетсSI,
хотя
лоmчно
было
бы
ожидать
ее
повыения,,
а
если
давление
увеличить
значительно,
то
поведение
Boды
подчиняется
общему
правилу.
Относительная
диэлектрическая
посто.smная
Boды
равна
81
-
это
очень
высокая
величина,
чем
и
объясняется
такая
большая
ио~ирующая
сила
Boды.
Вода
имеет
максимальное
длSl
жидкостей
(кроме
ртути)
поверхностное
натяжение,
благодаРji
чему
обеспеЧивается
возможность
движения
соков
в
растениях,
крови
,В
сосудах
ЖИВОТНЫХ
и
человека.
С
повыениемм
температуры
повер
хностное
натяжение
воды
уменьшается.
Оптические
свойства
Boды
оцениваются
110
ее
проз
рачности,
которая
в
свою
очередь
зависит
от
ДЛИНЫ
волны
луча,
проходящеro
через
воду.
ультрафирлетовыe
лучи
лег
ко
ПРОХОд5lТ
через
воду,
поэтому
растительные
организмы
способны
развиваться
в
толще
Boды
и
на
дне
водоемов,
инфракрасные
лучи
проникают
только
в
поверхностный
слой
и
в.
незначительной
степени.
Вследствие
поглоП(ения
оранжевых
и
красных
компонентов
видимого
света
вода
приобретает
голубоватую
окраску.
Химически
чистая
вода
очень
плохо
проводит
электрический
ТОК,
НО
все
же
обладает
некоторой
элект
РОПРОВОДИМОСТЬЮ,
так
как
она
способна
в
очень
не
значительной
степени
диссоциировать
на
ионы
водорода
и
гидроксил-ионы
Н20
~
н+
+
ОН-.
По
величине
электропроводимости
чистой
воды
вычислено,
что
при
температуре
18
0
с
в
10
млн
Л
воды
в
диссоциированном
состоянии
находится
0,86
моля
воды,
при
22
0
с
- 1
мОль,
при
2SOc
- 1,109
моля.
По
закону
Гульберга
и
Вааге
скорость
химической
реакции
прямо
пропорционалъна
действующим
массам,
т
.е.
концентрациям
реагирующих
веществ.
Поэтому
можно
напи~тъ
8
V
1
..
Kt[H20);
V~'-=
К2[Н+][ОН-],
где
v..
и
",-
-
скорости
ПРJlМОЙ
И
обратной
реакций;
Кl
И
К2
-
коэффициенты
пропорциональности
в
выражениях
скоростей,
называемые
константами
реаlC.~ий.
В
момент
равновесия
процесса
скорости
Vl
и
v2
paBHы
дрyr
другу,
следовательно
[И+][ОИ-]/[Н20]
=-
Кl/К2
111:
К',
(1)
где]С
-
константа
равновесиSl
реакции
при
данной
температуре,
или
констан
та
диссоциации
воды.
Уравнение
(1)
можно
переписать.
в
таком
виде:
[н+]
[ОН-]
-
к'
[Н20
].
Поскольку
степень
диссоциации
воды
очень
мала,
то
концентрация
недиссоциированных
молекул
воды
практически
равна
общей
концентрации
воды,
т.е.
55,55
моль/л,
а
поэтому
произведение
к'
[Н20]
можно
считать
константой.
Эту
константу
обозначают
К..,
и
на
зыаютT
ионным
произведением
воды
K
w
8;
[н+][он-].
Для
воды
и
разбаменНhIХ
Boдныx
растворов
при
неизмен
ной
температуре
произведение
концентраций
ионов
водорода
и
гидроксил-ионов
есть
величина
постоянная.
ЧислеlПlое
зна
чение
ионноro
произведения
воды
при
22
0
с
rocrавляет
10-14.
Вода
-
весьма
реакционноспособное
соединение.
Она
реагирует
с
оксидами
миоmх
металлов
(Na20,
СаО
и
др.)
и
неметаллов
(CI02,
СО2
И
др.),
образует
кристаллогидра
ты
с
некоторыми
солями
[Al2(SО4)э-18Н20],
вступает
во
взаимодействие
с
активныии
металлами
(Na,
К
и
др.).
Вода
-
катализатор
многих
химических
реакций,
и
иногда
ДЛЯ
прохождения
реакции
необходимы
хотя
бы
ее
следы.
Взаимодействуя
с
некоторыми
солями,
вода
вызы
вает
процесс
обменного
разложения
их
-
гидролиз.
Во
да
участник
и
среда
ДЛЯ протекания
множества
биохимических
реакций
в
живых
организмах.
Жизнь
че
ловека,
растений,
животных
и
микроорганизмов
связана
с
водными
растворами.
В
частности,
процессы
питания
вклю
чают
перевод
вещества
в
раствор.
3.
ВОДА
-
РАСТВОРИТЕЛЬ
Энергия
образования
молекул
воды
высока,
она
сос
тавляет
242
кДж/моль.
Этим
объясняется
устойчивость
во
ДЫ
в
при
родных
условиях.
У
стойчивость
В
сочетании
с
9