Реферат: Робоча навчальна програма для студентів спеціальності 040103 геологія Затверджено

Київський національний університет імені Тараса Шевченка


Геологічний факультет


Кафедра гідрогеології та інженерної геології


Укладач: доцент Чомко Д.Ф.


ХІМІЧНИЙ АНАЛІЗ ВОДИ


РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА

для студентів спеціальності 6.040103 – геологія


Затверджено

на засіданні кафедри

Протокол № 18

від 17 травня 2007року

Зав. кафедри

_____________Кошляков О.Є.


Декан факультету

_____________Вижва С.А.


Київ – 2007


Робоча навчальна програма з дисципліни «Хімічний аналіз води»


Укладач: кандидат геологічних наук, доцент Чомко Дмитро Федорович.


Лектор: кандидат геологічних наук, доцент Чомко Дмитро Федорович.


Викладач: асистент Аксьом Олексій Сергійович


Погоджено

з науково-методичною комісією

«15» червня 2007р.


__________________________

ВСТУП

Дисципліна “Хімічний аналіз води” є спеціальною дисципліною, орієнтованою на підготовку бакалаврів геології, які спеціалізуються в галузі гідрогеології. Дисципліна викладається на І курсі у ІІ-му семестрі в обсязі 126 годин, з них лекцій 51 година, лабораторні роботи – 17 годин, самостійна робота – 58 годин. Форма підсумкового контролю – іспит у ІІ-ому семестрі.


Метою викладання дисципліни “Хімічний аналіз води” є ознайомлення студентів, що навчаються за ОКР бакалавр геології за спеціалізацією «гідрогеологія» з основними уявленнями про походження вод, в т.ч. підземних на Землі, фізичні та хімічні властивості води, водно-фільтраційні властивості гірських порід, хімічний склад води (макро-, мікрокомпоненти та ін.), визначення вмісту у воді деяких корисних та шкідливих компонентів та методики їх проведення, загальні гігієнічні вимоги до якості питних вод, що базуються на фундаментальних розробках циклу природничих наук: географії, хімії, біології, основ гідрології. До завдань курсу належить розгляд початкових теоретичних передумов поведінки певних мікро-, мікрокомпонентів, другорядних компонентів та ін. у воді в процесі кругообігу (в т.ч. і геологічного), різних варіантів проведення хімічного аналізу конкретного компоненту, а також різних варіантів графічного зображення результатів хімічного аналізу в залежності від потреб.


Предметом вивчення є водні ресурси країни, які змінюють свій хімічний склад в залежності від конкретних умов транзиту та місця розташування, а також потужний інструментарій як для визначення хімічного складу цих вод, так і логічного зображення результатів аналізу.


Вимоги до знань та вмінь – після вивчення навчальної дисципліни „Хімічний аналіз води” студенти повинні:

знати:

теорії походження вод;

фізичні та хімічні властивості вод;

водно-фільтраційні властивості гірських порід;

хімічний склад підземних вод;

міграційні властивості макрокомпонентів води;

вплив компонентів хімічного складу вод на організм людини;

різні варіанти графічного зображення хімічного аналізу води;

хімічні та санітарно-гігієнічні вимоги для питних вод.


вміти:

визначати фізичні та хімічні показники води;

визначати тип походження підземних вод.

обрати спосіб графічного зображення хімічного аналізу води;


Місце навчальної дисципліни в структурно-логічній схемі.

Спеціальна навчальна дисципліна „Хімічний аналіз води” є складовою циклу професійної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня підготовки бакалавра геології за спеціалізацією «гідрогеологія». Ця дисципліна є базовою для вивчення в подальшому таких дисциплін, як „Гідрогеологія”, „Регіональна гідрогеологія”, „Методика гідрогеологічних досліджень”, „Геохімія”.


^ Система контролю знань та умови складання іспиту. Навчальна дисципліна „Хімічний аналіз води” оцінюється за модульно-рейтинговою системою. Вона складається з 2 модулів.

Результати навчальної діяльності студентів оцінюються за 100-бальною шкалою.

^ Форми поточного контролю:

класні самостійні письмові роботи на протязі семестру - 20 балів;

модульні контрольні роботи (на семестр 2 контрольні роботи по 20 балів) - 40 балів;


^ Підсумковий контроль: іспит – 40 балів.

За результатами семестру студент отримує підсумкову оцінку за 100-бальною системою, яка розраховується за наступною формулою.




^ Змістовий модуль 1 (ЗМ1)

Змістовий модуль 2 (ЗМ2)

Комплексний підсумковий модуль

(КПМ) - іспит

Підсумкова

оцінка

(ПО)

Вагові коефіцієнти (%)


30%

k1=0,3


30%

k2=0,3


40%

kісп.=0,4


100%

Максималь-на кількість балів


100


100



100


100

Оцінка(бали)

30

30

40

100

(60 + 40)


При цьому, кількість балів відповідає оцінці:

1-34 - «незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням дисципліни;

35-59 - «незадовільно» з можливістю повторного складання;

60-64 - «задовільно» («достатньо);

65-74 - «задовільно»;

75-84 - «добре»;

85-89 - «добре» («дуже добре»);

90-100 - «відмінно».


^ Шкала відповідності

За 100-бальною шкалою

Оцінка за національною шкалою

90 – 100

5

відмінно

85 – 89

4

добре

75 – 84

65 – 74

3

задовільно

60 – 64

35 – 59

2

незадовільно

1 – 34

Якщо за результатами модульно-рейтингового контролю студент отримав середнє арифметичне за два змістовні модуля, яке менше ніж 60 балів (тобто в сумі менше 36 підсумкових балів), то студент не допускається до іспиту і вважається таким, що не виконав всі види робіт, які передбачаються навчальним планом на семестр з дисципліни „Хімічний аналіз води”.


^ Навчально-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН ЛЕКЦІЙ


№ теми

Назва теми

Кількість годин

лекції

лабораторні

самост. робота

Змістовий модуль І

„Гіпотези походження води та її властивості”

1

Хімічний аналіз води як частина гідрогеологічних знань. Історія розвитку та сучасний стан.

2




2

2

Розповсюдження води на Землі. Гіпотези походження. Запаси води та проблема прісної води.

4

2

4

3

Короткі відомості проводу як речовину. Специфічні властивості води. Структурні моделі води.

4




4

4

Вода як розчинник. Сутність процесу. Види дисперсних систем.

2

2

4

5

Фізичні та хімічні властивості води.

4




4

6

Загальний кругообіг води на Землі. Баланс води на Землі. Розподіл води по геосферах. Геологічний кругообіг.

4

2

4

7

Вода в земній корі. Запаси води. Види води. Теорії походження підземних вод.

6

2

8

Модульна контрольна робота 1 (1-ша декада квітня)

2







Разом

28

8

30

Змістовий модуль ІІ

„Хімічний склад підземних вод. Визначення, систематизація та обробка”

8

Зв'язок хімічного складу з фізичними та водно-фільтраційними властивостями гірських порід.

4

2

4

9

Хімічний склад підземних вод.

4




4

10

Методики проведення та типи хімічних аналізів води

4

2

4

11

Визначення макрокомпонентного хімічного складу води. Небезпечні компоненти.

2




4

12

Систематизація та обробка результатів хімічного аналізу води.

2

2

4

13

Фактори та процеси формування хімічного складу підземних вод.

2




4

14

Вимоги до якості питних вод

3

3

4

Модульна контрольна робота 2 (3-тя декада травня)

2







Разом

23

9

28

Всього

51

17

58


Загальний обсяг 126 год, у тому числі –

Лекцій – 51 год,

Лабораторні роботи – 17 год,

Самостійна робота – 58 год.

Змістовий модуль 1. „Гіпотези походження води та її властивості”


Тема 1 Хімічний аналіз води як частина гідрогеологічних знань. Історія розвитку. (2 год.)

Лекція 1. Хімічний аналіз води як частина гідрогеологічних знань. Історія розвитку. – 2 години.

План лекції:

Хімічний аналіз води як частина гідрогеологічних знань.

Історія розвитку.


Деякі відомості про підземні води люди мали ще в сиву давнину. Ці знання розширювалися і поглиблювалися зі зростанням практичних потреб суспільства. Хімічний аналіз води, як такий, що виник на стику декількох наук (гідрогеологія, хімія, гідрологія) став використовуватися порівняно недавно, але цьому передувала багатовікова практика його розвитку.

Початкові дані простежуються напевно ще з часів кам'яного віку до кінця XVII ст. У IV – III тисячоліттях до н. е. в долинах річок Тигру та Євфрату, Нілу, а також в Індії та Китаї сформувалися стародавні культури, де вже вміли розшукувати та використовувати підземні води для пиття та зрошення земель, робили досить простий хімічний аналіз води. Будувалися складні іригаційні системи. Є відомості, що в VIII ст. до н. е. у Вавілоні (Месопотамія) для водопостачання легендарних садів Семіраміди використовувалася підземна вода з величезного колодязя за допомогою спірального черпака. В Афінах у IV ст. до н. е. міський водопровід використовував підземну воду з колодязів великого діаметра і водозабірних галерей. Скіфи в IV – III ст. до н. е. будували колодязі глибиною 15-20 м. Є відомості, що в Китаї в IV ст. до н. е. для видобування води використовувалися станки ударно-канатного буріння. У передгір`ї Копетдагу, на Кавказі відомі підземні галереї (кяризи), що були збудовані в I ст. до н. е. Чудові водопроводи стародавнього Риму (I – II cт. н.е.) перекачували поряд з поверхневими і джерельні води.

Стародавній Рим забезпечувався питною водою за допомогою дев'яти акведуків загальною довжиною 443 км, в тому числі водопровідних мостів – 50 км. Вода йшла по каналах вистелених свинцем. Загальне споживання води становило 1000 дм3/доб на людину. Основний об'єм води потрапляв у терми, яких тут нараховувалося близько 800. Відомі терми Каракалли (211 – 217 рр. н.е.) недалеко від Колізею. Площа їх становила 12 га і одночасно тут могло перебувати близько 2500 осіб. До складу терм входило: зала для потіння (тепідаріум), один басейн з холодною, три басейни з гарячою водою, чотири гімнастичних зали, дві площадки для спортивних ігор, буфет, бібліотека і стадіон. Ще більш грандіозними були терми Діоклетіана. Вони мали 3 тис. купалень, 3 плавальних басейни з проточною водою, один з яких мав довжину 1,5 км. Тут могло зразу митися 3500 осіб. Терми оброблялися дорогоцінним мармуром, єгипетським гранітом, порфіром, поли устелялися мозаїкою, зали прикрашалися статуями відомих атлетів. Причому перед використанням води, та в період використання робився її „хімічний” аналіз.

Тобто, як видно, ще в далекій давнині люди вміли розшукувати, видобувати та розрізняти якість підземної води.


Література [2]


Завдання для самостійної роботи (2 год.):

Початкові дані про розвиток хімічного аналізу.

Можливості використання результатів хімічного аналізу.

Література [2]


Тема 2 Розповсюдження води на Землі. Гіпотези походження. Запаси води та проблема прісної води (4 год.)

Лекція 2. Розповсюдження води на Землі. Гіпотези походження. – 2 години.

План лекції:

Розповсюдження води на Землі.

Гіпотези походження води на земній кулі.

Роль води у процесах, що протікають на Землі.


Розповсюдження води на Землі. Вода покриває 71% поверхні Землі. Об`єм Світового океану – 1,338 млрд. км3. Якби цю воду рівним шаром розподілити по поверхні Землі, то потужність цього шару була б 3,0 км. Найглибша океанічна западина - Маріанська, яка має глибину 11020 м, але це всього-на-всього 17/10000 радіуса геоїда.

^ Гіпотези походження води на земній кулі Звідки взялася на Землі вода?

Існує декілька гіпотез походження води на Землі. Більшість вчених вважає, що походження води тісно пов`язане з походженням самої Землі.

Згідно з однією з гіпотез, вода у вигляді молекул Н2О знаходилася у вихідному матеріалі первинної газо-пилуватої хмари, а потім і в стародавній атмосфері Землі.

За іншою версією вода утворилася з первинних атомів гідрогену (Н) та оксигену (О) після утворення протопланет з газопилуватої хмари. Із підвищенням температури та дегазацією надр, а також у процесі диференціації речовини на геосфери відбувалася міграція легких елементів із надр Землі. При сприятливих умовах із них утворювалися молекули водню та кисню, а потім і молекули води.

Є гіпотеза біохімічного походження води на Землі. Згідно з нею, вода утворилася вже після створення Землі як планети. Під впливом жорсткого космічного та сонячного випромінювання з неживої матерії утворилася органічна. Встановлено, що при утворенні однієї молекули нуклеїнових кислот утворюються дві молекули води.

Є гіпотези позаземного походження води.

^ Роль води у процесах, що протікають на Землі. Вода - унікальний розчинник, і ця здатність обумовила грандіозний переніс та перерозподіл речовини на Землі. Вона сприяє механічному та хімічному вивітрюванню порід на суші, переносу суспензованої і розчиненої речовини в моря та океани і утворенню нових гірських порід. За всю історію геологічного розвитку Землі більша частина материків зруйнована і винесена водними потоками в моря та океани. Об’єм осадових порід в морях та океанах в 6..7 разів перевищує об’єм суші, що виступає над рівнем Світового океану.

Вода є одним з головних факторів утворення рельєфу Землі. Геологічна робота води, яка тече, складається із розмиву (ерозії), змиву, переміщенню продуктів ерозії (транспортування) і відкладення переміщених продуктів (акумуляція). Завдяки діяльності текучої води утворюються яри і балки, лощини й ущелини, формуються долини річок, похилі передгірські рівнини і межгірські западини тощо.

Величезна роль діяльності вод морів та океанів на образ Землі. Під діяльністю морського прибою змінюються контури материків. Величезні маси води в безперервному русі руйнують гірські породи берегів, переміщують і стирають продукти руйнування, відкладають їх у вигляді осадів.

Література [1, 2, 10]


Лекція 3. Запаси води та проблема прісної води – 2 години.

План лекції:
^ Запаси води на Землі Проблема прісної води
Запаси води на Землі. В сучасному розумінні гідросфера обіймає: Світовий океан, льодовики, озера, руслові води, підземні води, вологу атмосфери, воду живих організмів, тобто води всіх геосфер. Визначення об’єму водних ресурсів Землі дуже складна задача, оскільки гідросфера – динамічна система, в якій вода знаходиться в постійному русі. Найбільш обґрунтованими є результати досліджень Г.П. Калініна (1968 р.), М.І. Львовича (1974 р.), А.І. Чеботарьова (1974 р.) – авторів книги „Світовий водний баланс і водні ресурси Землі”, підготовленої за підсумками Міжнародного гідрологічного десятиріччя (1965 – 1974 рр.). Загальний об`єм води на Землі складає 1,386 млрд. км3. З цієї кількості 1,338 млрд. км3 припадає на Світовий океан (≈ 71% поверхні Землі покрито водою). Друге місце після Океану посідає вода, яка акумульована в льодовиках Арктики та Антарктики - це 24 млн. км3. Тут вміщується 69% всіх земних запасів прісної води. Наступне місце за об`ємом займає підземна вода. Вона вміщується в порах, тріщинах порід і розповсюджена на досить значну глибину. При підрахунках кількості води в земній корі враховувалася тільки та її частина, яка доступна людству в його господарській діяльності. Орієнтовно цей об`єм складає 23,4 млн. км3.

На поверхні суші вода знаходиться в озерних котловинах об`ємом 176,4 тис. км3 (найбільші озера - Великі Американські - 24 тис. км3 води, найглибше - озеро Байкал - 23 тис. км3). Запас води в руслах річок складає 2,12 тис. км3, при загальній їх витраті - 43,7 тис. км3/рік.

^ Проблема прісної води. Якщо використовувати воду тільки в межах об`єму річкового стоку, то практично ресурси прісних вод будуть невичерпними, оскільки, завдяки кругообігу води на Землі, вона постійно поповнюється. Однак, при досить великих запасах прісної води на Землі, вже тепер майже всюди у обжитих і заселених місцях земної кулі все більше відчувається її дефіцит.

По-перше, це пояснюється нерівномірним розподілом водних ресурсів по площі Землі.

По-друге, нестача прісної води пояснюється швидким зростанням населення світу і великою концентрацією його в деяких районах земної кулі, у крупних містах і міських агломераціях.

По-третє, однією з причин нестачі води є зростаюча витрата її в сільському господарстві та промисловості.

В четвертих, найсерйозніша причина, яка пояснює нестачу води - це забруднення водних ресурсів стічними водами і отруйними промисловими відходами.

Завдання для самостійної роботи (4 год.):

Яка найбільш поширена гіпотеза походження води на Землі?

Чим обумовлена роль води у геологічних процесах?

Як кількісно розподіляється вода по геосферах?

Як утворюється прісна вода на Землі і які її запаси?

Охарактеризуйте основні причини дефіциту прісної води на Землі.

Література [1, 2, 9]

Лабораторне заняття № 1 (2 год.)

Тема

Техніка безпеки. Вступ.

План

Інструктаж по техніці безпеки;

Загальні відомості про хімічний склад підземних вод;

Правила відбору проб води;

Види хімічних аналізів вод.


Тема 3 Короткі відомості проводу як речовину. Специфічні властивості води. Структурні моделі води. (4 год.)

Лекція 4. Короткі відомості про воду як речовину. Специфічні властивості води – 2 години.

План лекції:

Короткі відомості проводу як речовину;

Специфічні властивості води.

Короткі відомості проводу як речовину. Вода - найбільш розповсюджена і найбільш необхідна речовина на Землі. Від неї залежить більшість фізичних, хімічних та біологічних процесів, які відбуваються. У воді зародилося життя на Землі, і завдяки їй воно існує і нині.
Специфічні властивості води. Вода – дуже дивна речовина! Майже всі її властивості - аномальні, тобто не такі, як у всіх інших речовин на Землі. Розглянемо деякі з цих властивостей.
Густина. Всі тіла при охолодженні стискаються. Вода теж стискається при зниженні її температури до +40С. При цій температурі вода має максимальну густину (1 г/см3). При подальшому зниженні температури води густина її знову зменшується. Тобто, залежність між густиною води та її температурою не однозначна, а двозначна. Так, густина води однакова при температурі +30 і +50С тощо.

^ Температура замерзання. Якщо з дистильованої води вилучити розчинені гази, то її можна охолодити без переведення у твердий стан до температури -700С. При цьому, об`єм води поступово збільшується (густина зменшується). При температурі (-700С) вода переходить у твердий стан без зміни об`єму (густини).

У нормальних умовах вода переходить у твердий стан при 00С із збільшенням об`єму на 11%. У замкненому об`ємі це призводить до надмірного тиску на стінки в 2500 кг/см2 (із цим пов`язана руйнівна сила замерзаючої води).

Вода у твердому стані легша, ніж у рідкому, і в цьому теж проявляється її аномалія. Всі інші речовини на Землі у твердому стані важчі, ніж у рідкому.

^ Теплові властивості. Теплоємність води сама по собі не є аномальною. Вона просто більша, ніж для інших речовин у 5...10 разів. Аномальність проявляється в залежності питомої теплоємності від температури. У всіх речовин питома теплоємність збільшується із зростанням температури. У води ж вона зменшується з підвищенням температури від 0 до +350С, а далі збільшується, тобто, як і густина, питома теплоємність не однозначна, а двозначна.

Питома теплоємність води при +160С прийнята за еталон вимірювання цієї властивості в інших речовинах (1 кал/г*град). У платини питома вага - 0,03, у заліза - 0,1, у піску - 0,2 кал/г*град. Тому, при однаковій кількості сонячної енергії вода у водоймах нагрівається в 5 разів повільніше, ніж пісок на березі, але й віддає тепло вона в стільки ж разів повільніше.

^ Поверхневий натяг. Завдяки водневому зв`язку, молекули води притягаються одна до одної сильніше, ніж інші рідини. Тому на її поверхні утворюється більший поверхневий натяг, і вода має найбільшу серед інших рідин висоту капілярного підняття.

Література [1, 2, 9]


Лекція 5. Структурні моделі води – 2 години.

План лекції:

Будова агрегатів молекул води;

Структурні моделі води.

Завдяки особливостям будови молекули води, вона може утворювати водневі зв`язки з 4-ма іншими молекулами за рахунок 2-х від‘ємно заряджених неподільних пар електронів і 2-х додатньо заряджених атомів водню.

Довжина водневого зв`язку 1,76 А (ангстрем = 1*10-9 мм).

Оскільки структурна будова води в рідкому стані сучасними методами не може бути встановлена, виникли 2 версії будови агрегатів молекул води: 1) гіпотеза М. Анжено (1967 р.) - молекула води реалізує 2 водневі зв`язки, внаслідок чого утворюються лінійні або кільцеві ланцюжки, основу яких складають так звані водневі містки; 2) гіпотеза Дж. Бернала та Р. Фаулера - молекула води реалізує всі 4 водневі зв`язки. При цьому кожна молекула з`єднується з 4-ма іншими по тетраедру.

Більшість вчених вважають більш ймовірною другу версію.

Про структуру рідкої води теж існує багато версій. Найбільш відомі дві: 1) вода є неоднорідною речовиною; 2) вода - однорідна речовина.

Прикладом моделі неоднорідної будови води є схема Г. Френка і В. Вінна (1957 р.). За цією схемою рідка вода - це немов би конгломерат із „мінливих кластерів” (роїв), які складаються з льодоподібних асоціатів, що плавають у вільній воді. “Кластери” постійно існують у рідкій воді, але кожну мить вони замінюються - виникають і руйнуються. Час їх існування 1*10-10 ...1*10-11 с.

Однорідна модель розроблена О.Я. Самойловим (1957 р.). (вода І – вода ІІ – вода ІІІ).


Література [1, 2, 5]


Завдання для самостійної роботи (4 год.):

У чому сутність структурної будови води за гіпотезою Френка-Вінна?

Як пояснюється залежність густини води від температури за гіпотезою структури води О.Я. Самойлова?


Література [1, 2, 5]


Тема 4 Вода як розчинник. Сутність процесу. Види дисперсних систем. (2 год.)

Лекція 6. Вода як розчинник. Сутність процесу. Види дисперсних систем – 2 години.

План лекції:

Вода – розчинник.

Сутність процесу розчинення.

Види розчинників.

Вода – розчинник. Завдяки унікальній здатності води розчиняти різні речовини, „чистої” води в природі немає. У 1 дм3 (л) прісної води, яку ми п`ємо, міститься до 1 г різних речовин. Ці речовини необхідні для забезпечення життєдіяльності рослин та тварин. Дистильована вода для них так само шкідлива, яка і дуже мінералізована.

У наш час, технічної революції та „екологічного вибуху”, вода, завдяки своїй здатності розчиняти майже всі речовини, стала об`єктом інтенсивного забруднення.

Сенсаційна звістка облетіла світ у 1909 р. - у результаті аналізу було встановлено, що в складі снігу, який випав на дах одного з будинків у Лондоні в неділю, виявлено 93 мг/дм3 суспензованої речовини. У будній день це складало вже 422 мг/дм3. Було підраховано, що на всю площу Лондона за рік випадає 142 т суспензованої та 75 т розчиненої речовини, у тому числі – 25 т солі NaCl, 1 т аміаку, 100 т кам`яного вугілля.

Нині такими відомостями вже нікого не здивуєш. Рада з питань якості навколишнього середовища при Білому Домі (США) прийшла до висновку, що дощові води, які течуть по вулицях американських міст, часто більш отруйні, ніж у стічних трубах підприємств. У середньому американському місті дощові води поглинають із повітря за рік до 125 т свинцю і 15 т ртуті (продуктів вихлопу автомобілів). Подібна ситуація нині характерна для багатьох міст світу.

^ Сутність процесу розчинення. Процес розчинення речовин у воді відбувається внаслідок особливостей будови молекули і її структури в рідкому стані.

Молекула звичайної води складається з одного атома кисню і двох атомів водню (див. розд.5). Несиметричне розташування ядер водню відносно ядра кисню, а також наявність неподілених пар електронів у молекулі води роблять її полярною. Кількісно полярність молекули характеризується дипольним моментом (М), який дорівнює добутку відстані між електричними центрами тяжіння позитивного та негативного зарядів у молекулі (в см) на величину заряду (в абсолютних електричних одиницях). Дипольний момент для молекули води дорівнює:



^ Види дисперсних систем виділяються за величиною часток речовин, розподілених у воді. Дисперсні системи, які містять у собі частки розміром більше 100 мкм, називаються зависями. У залежності від агрегатного стану дисперсійної речовини такі системи поділяються на суспензії, якщо у воді розподілені частки твердої речовини, та емульсії, якщо у воді розподілені дрібні краплинки іншої рідини.

Якщо дисперсна система містить у собі частки розміром від 100 до 1 мкм, вона називається колоїдним розчином. Колоїдні частки мають досить велику площу поверхні і несуть електричний заряд, різний за величиною, але одного знаку для всіх часток даної колоїдної системи. Між колоїдними частками і молекулами води існує тісний взаємозв`язок. Іноді це призводить до перетворення колоїдних часток (золей) у гелі в результаті укрупнення часток (процес коагуляції). Колоїдний розчин при цьому перетворюється в драглеподібну масу.

Ці дисперсні системи (колоїдна та завись) у тій чи іншій мірі нестійкі і з часом стають неоднорідними. Розподілена у воді речовина, у залежності від її щільності, піднімається чи випадає в осад.

Якщо розподілена речовина міститься у воді у вигляді окремих молекул та іонів, то така система є дуже стійкою. Вода зберігається стільки завгодно довго і називається істинним чи молекулярним розчином. Розмір часток у такому розчині менший 1 мкм.

Підземні води у своїй більшості - істині розчини. Утворюються вони в результаті взаємозв`язку води з різними речовинами в земній корі.


Література [1, 2]


Завдання для самостійної роботи (4 год.):

Зв‘язок розчинності речовин у воді з підвищенням температури.

Яким чином розчинення в воді газів пов’язане зі структурою води?


Література [1, 2]

Лабораторне заняття № 2 (2 год.)

Тема

Визначення фізичних та хімічних властивостей підземних вод, агресивна вуглекислота.

План

Визначення температури;

Визначення кольоровості;

Визначення прозорості;

Визначення запаху;

Визначення концентрації іонів водню pH;

Визначення агресивної вуглекислоти (початок).



Тема 5 Фізичні та хімічні властивості води. (4 год.)

Лекція 7. Фізичні властивості води – 2 години.

План лекції:

Фізичні властивості води.


До фізичних властивостей води відносяться: температура, прозорість, колір, запах, смак та присмак, густина, стисливість, в`язкість, електропровідність, радіоактивність.

Температура підземних вод змінюється в широких межах і залежить від геологічної будови та фізико-географічних умов території. У районах багатолітньої мерзлоти температура рідкої підземної води, в основному, близька до 00С, дуже мінералізовані води можуть мати температуру до -50С. Температура вод, які залягають неглибоко, у середніх широтах коливається в межах 5...15 0С. В областях молодої сучасної вулканічної діяльності зустрічаються джерела з температурою до 1000С. У внутрішній геотермальній зоні на глибинах 3...4 км знаходиться вода з температурою 1500С і вище.

Температура підземних вод змінюється в часі. Найбільш сильні – сезонні коливання температури при неглибокому їх заляганні від поверхні землі, нижче поясу постійних температур температура води збільшується з глибиною.

Питна вода найбільш смачна при температурі 7 – 100С. Для лікувальних цілей (ванни) використовується вода з температурою 35 – 370С.

Температура підземних вод певною мірою впливає на формування їх хімічного складу та на швидкість фізико-хімічних процесів в земній корі. Звичайно з підвищенням температури збільшується швидкість дифузії та ступінь розчинення солей.

Прозорість підземних вод залежить від кількості суспензованих в ній мінеральних та органічних речовин, колоїдів. Підземні води зазвичай прозорі. Мутність їх може бути зумовлена великими швидкостями руху (у закарстованих породах, при потужних відкачуваннях із свердловин та колодязів), а також недосконалістю обсадки колодязя або фільтра свердловини. Визначається ступінь каламутності води за кількістю суспензованих речовин у 1 дм3 води, за допомогою спеціально виготовлених еталонів, а також у градуйованому циліндрі з пришліфованим дном. За ступенем прозорості підземні води поділяються на чотири категорії: 1 - прозорі, 2 – злегка мутні, 3 - мутні, 4 - дуже мутні. За існуючими стандартами питна вода має бути 1-ї категорії прозорості (мутність її не повинна перевищувати 1,5 мг/дм3).

Колір води залежить від хімічного складу її та наявності домішок. Жорсткі води мають блакитнуватий відтінок, закисні солі заліза та сірководень надають воді зеленувато-блакитний відтінок, органічні з`єднання - жовтуватий, суспензовані мінеральні частки - сіруватий.

Колір води визначається (за шкалою кольорів) порівнянням її з дистильованою водою в поруч поставлених на білому фоні циліндрах.

Здебільшого підземні води безбарвні. Використанню навіть слабко забарвлених вод для питних та господарсько-технічних потреб повинна передувати ретельна перевірка їх хімічного та бактеріологічного складу. Запах підземних вод зазвичай свідчить про процеси розпаду органічних речовин, які відбуваються в ній. Часто це пов’язано з діяльністю бактерій.

Як правило, у підземних водах запах відсутній, але іноді він відчувається. Так, наприклад, болотні води мають специфічний „болотний” запах, сірководень надає воді запаху тухлих яєць, а в старих колодязях із гниючими дерев`яними зрубами запах води – „затхлий”.

речовини, гази та суспензовані домішки. Вміст у воді гідрокарбонатів кальцію і магнію, а також вуглекислоти надає воді приємний смак, органічні сполуки роблять воду солодкуватою, хлорид натрію надає воді солоний смак, сульфат магнію і натрію - гіркий. Специфічний смак („іржавий”) надають воді солі заліза. Смак визначається у воді, яка нагріта до температури 200С.

Густина води визначається як маса одиниці її об`єму. За одиницю вимірювання густини прийнята густина дистильованої води при температурі 40С, яка дорівнює 1 г/дм3. Густина води залежить від температури та кількості розчинених у ній мінеральних речовин, газів та суспензованих часток. Густина підземних вод змінюється від 1 до 1,4 г/см3 і визначається за допомогою ареометра або пікнометра.

Стисливість вказує на зміну об`єму води під дією тиску. Властивість ця залежить від кількості розчинених у воді мінеральних речовин, газів та від температури. Стисливість води визначається за допомогою коефіцієнта стисливості , який показує, на яку частку від попереднього об’єму зменшується вода при збільшенні тиску на 105 Па.

Література [1, 2, 3 ]


Лекція 8. Хімічні властивості води – 2 години.

План лекції:

Хімічні властивості води.


До хімічних властивостей води відносять мінералізацію, водневий показник (pH), окислювально-відновний потенціал (Eh), жорсткість, агресивність.

Під мінералізацією води розуміють кількість розчинених у воді мінеральних речовин та газів. Про величину мінералізації води судять за загальною мінералізацією, сухим залишком та густиною води. Під загальною мінералізацією розуміють сумарну масу всіх знайдених в 1 дм3 води речовин за допомогою хімічного аналізу. Сухий залишок визначають за допомогою випарування певного об’єму води при температурі 1100С. За допомогою густини мінералізація води визначається приблизно.

^ Окислювально – відновний потенціал (Еh). У земній корі безперервно відбуваються окислювально-відновлювальні процеси. Окислення пов`язане з віддачею електронів, відновлення - з їх приєднанням. Оскільки електрони не можуть існувати в розчині самостійно, будь-яке окислення одного одночасно обов`язково супроводжується відновленням іншого. При цьому змінюється валентність:

Fe2+ Fe3+ + e.

Основним окислювачем є кисень, Fe3+, Mn4+ тощо; відновлювачем - сірководень, органічні сполуки, Mn2+ тощо.

Величина окислювально-відновлювального потенціалу (Еh) виражається залежністю:

при t = 200 С,

де Е0 - нормальний окислювально-відновний потенціал середовища, при якому концентрація окислювальної та відновленої форм дорівнюють одне одному; n - кількість електронів, що приймають участь у реакції; [Oх], [Red] - молярні концентрації окислювальної та відновленої форм.

Жорсткість води обумовлена вмістом у ній солей кальцію і магнію. Жорсткість води проявляється в утворенні накипу на стінках парових котлів, поглинанні мила тощо.

Розрізняють загальну, карбонатну, усувну та постійну жорсткості.

Завдання для самостійної роботи (4 год.):

Органолептичні властивості води.

Агресивність води.



Література [1, 2]


Тема 6. Загальний кругообіг води на Землі. Баланс води на Землі. Розподіл води по геосферах. Геологічний кругообіг. (4 год.)

Лекція 9. Загальний кругообіг води на Землі. Баланс води на Землі. – 2 години.

План лекції:

Загальний кругообіг води на Землі.

Баланс води на Землі.


Загальний кругообіг води на Землі. Загальні запаси води на Землі - 1,386 млн. км3. Вода розповсюджена в атмосфері, на поверхні землі та в її надрах і знаходиться в постійному русі, переміщуючись між геосферами.

Вчення про кругообіг води протягом тривалого часу розглядалося, а в ряді випадків і зараз продовжує розглядатися однобічно, тільки з гідрологічних позицій. Кругообіг води зазвичай зводиться до того, що атмосферні опади, які випадають на сушу, частково випаровуються, частково утворюють поверхневий стік, частково просочуються вглиб, формують підземні води; поверхневі та підземні води під впливом сил тяжіння стікають в пониження, утворюючі річки. Вода річок, попадаючи в моря та океани випаровуються, даючи початок новим атмосферним опадам.

Незважаючи на виключну важливість і широку розповсюдженість такої схеми кругообігу, вона далеко не вичерпує всього різноманіття руху води. При цьому цілковито ігнорується кругообіг речовини, в тому числі і води, усередині земної кори.

Одним з перших недостатність такої схеми кругообігу зрозумів В.І.Вернадський (1954 р.). Він розрізняв первинні кругові процеси, які відбуваються в межах декількох геосфер, і вторинні, які відбуваються в кожній з них. Тобто, загальна гідросфера Землі представляє собою дуже динамічну систему з численними кругообігами і хімічними реакціями води.

За А.Н. Павловим (1977 р.) кругообіг води в земних оболонках зводиться до водообміну між океаном та сушею, який відбувається двома шляхами. Перший – кліматичний, протікає під дією метеорологічних факторів, другий – літогенетичний, обумовлений такими геологічними процесами як осадоутворення, тектонічні рухи, метаморфізм та гранітизація.

^ Баланс води на Землі. Водний баланс якої-небудь території, тобто накопичення і витрата води в її межах за той чи інший проміжок часу, залежить від кліматичних факторів і характеру поверхні землі. Співвідношення елементів водного балансу - атмосферних опадів, випаровування, поверхневого і підземного стоку - у визначених фізико-географічних умовах для багаторічного періоду в середньому практично постійне і визначає середні витрати річок і водні ресурси даного району.

Закономірність зміни запасів вод звичайно виражається рівнянням водяного балансу. У загальному випадку це рівняння для будь-якої території за будь-який проміжок часу має наступний вид:

X = K +Y1 - Y2 - Z  W1 W2 + U1