2. Проблемы сырьевых ресурсов и химия

Основными сырьевыми ресурсами для человечества и большинства современных производств являются вода, металлы, нефть, уголь, газ, минералы и др.

Вода – это наиболее распространенное вещество в природе. Более 70% общей поверхности земного шара занимают океаны и моря, остальная часть представляет собой сушу. Большое количество воды находится в атмосфере Земли в виде пара (около 12 · 10³ км³ ).

В жизни планеты вода играет важную роль. Под действием воды изменяется поверхность планеты, формируется толща осадочных пород на дне океанов и морей.

Океаны представляют собой огромный источник минеральных и биологических ресурсов. Морская вода содержит более 70 химических элементов периодической таблицы. Мировой океан является естественным терморегулятором планеты, аккумулируя и отдавая теплоты в зависимости от времени года. Обладая большой удельной теплоемкостью, вода, способна накапливать значительную энергию. Такая особенность воды существенно влияет на состояние климата.

Участвуя во многих биохимических процессах, вода служит основным фактором жизнедеятельности растительного и животного мира. Большинство живых организмов в своем составе имеют воду. Например, тело человека содержит около 60% воды, для поддержания ее баланса в организме необходимо 2-3 л в сутки для каждого индивида.

Потребление воды осуществляется не только в целях удовлетворения прямых физиологических потребностей, но и для различного рода сопутствующих и технологических процессов. Рост народонаселения также обостряет проблему водных ресурсов.

Мировой океан, имеющий объем 1,4 · 10⁹ км ³, является естественным резервуаром для хранения запасов воды.

Морская вода содержит массу солей, в среднем около 37 г солей приходится на литр морской воды, что позволяет назвать ее соленой.

Пресная вода на Земле имеется в гораздо меньших количествах. От общего количества воды на поверхности Земли она составляет 2,5% (3,5 10⁶ км³. Пресной называют воду, если она содержит не более 1г солей на 1 литр. Основной объем пресной воды сосредоточен в айсбергах и ледниковых покровах Арктики и Антарктики. Использование этих ресурсов связано с целым рядом глобальных проблем. Часть пресной воды (около 30%) сосредоточено под Землей. Часть пресной воды содержится в озерах и болотах, руслах рек. Из всех компонентом земной гидросферы именно вода рек является основным источником пресной воды для человека и животных. Вся биомасса Земли на 60-80% состоит из воды, а общий объем биологической воды равен 1,1 · 10³ км³ .

Вся природная вода содержит примеси органического и минерального происхождения. Эти вещества поступают в воду разными путями: вымывание пород, осадки, продукты жизнедеятельности человека и животных. Таким образом природные воды представляют собой растворы, примеси в которых можно разделить на ряд групп: ионы; растворенные газы; биогенные вещества; микроэлементы; органические вещества (классификация О.А. Алекина). Наибольшее количество в воде присутствует ионов натрия, кальция, магния, калия, железа. Среди газов, растворенных в воде, присутствуют кислород, азот, водород, сероводород и др. Биогенными примесями считают соединения, с которыми связана жизнедеятельность живых организмов: различные формы азота, фосфора, кремния, железа и др. Микроэлементами называют примеси, находящиеся в растворе в количествах, не превышающих 10^-3 %. В воде они представлены бромом, йодом, медью, кобальтом, никелем и др. химическими элементами. Органические соединения в виде различного рода растительных и животных организмов и продуктов их взаимодействия также широко представлены в воде.

Совокупность всех примесей обуславливает свойства и качество пресной воды. Для оценки состояния природных вод осуществляют физико-химический анализ, что позволяет сделать выводы ее пригодности для тех или иных целей.

Вода обладает уникальными свойствами. Она может находиться в трех агрегатных состояниях в зависимости от внешних условий. Для воды характерна диаграмма состояний, которая показывает зависимость фазовых переходов от давления и температуры. Кривая ОА называется кривой кипения и разделяет области жидкого и парообразного состояния воды. Кривая ОС называется кривой плавления и разделяет твердое и жидкое состояние воды. Третья кривая диаграммы ОВ – это кривая сублимации, разграничивающая твердое и парообразное состояние воды.

Вдоль названных кривых расположены точки, в которых разные фазы вещества находятся в состоянии равновесия. Точка О носит название тройной точки, она характеризует равновесие трех фаз воды.

Диаграмма фазовых переходов воды.

Вода имеет специфическую особенность теплового расширения. Плотность воды при температуре 4 градуса Цельсия максимальна, поэтому в водоемах у дна вода всегда теплее, а ледяной покров меньшей плотности защищает живые организмы от переохлаждения.

Вода также обладает высоким поверхностным натяжением, что обуславливает капиллярные явления в живой и неживой природе. Значительная диэлектрическая проницаемость воды обеспечивает высокую растворимость веществ и образование широкого перечня растворов, большинство из которых содержат вещества, диссоцииорованные на ионы. Все аномальные свойства воды обусловлены ее структурой и способностью молекул воды образовывать молекулярные ассоциаты.

Вода состоит из молекул, образованным атомом кислорода и двумя атомами водорода с валентным углом 104^о 31. Расстояние между ядрами кислорода и водорода составляют около 0,1 нм, а между ядрами атомов водорода – 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода, два образуют ковалентные полярные связи О – Н, а остальные составляют две неподдельные пары. Общие электронные пары, образующие связи О –Н, смещены к кислороду, в результате чего атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды (рис. ). Центры отрицательных зарядов общих электронных пар атома кислорода смещены относительно ядра атома, что приводит к возникновению двух отрицательных полюсов. Такое расположение зарядов делает молекулу воды полярной, а электрический дипольный момент равен 3,33 · 10 ^-30 Кл м. Эта особенность химической природы и объясняет аномальные свойства воды.

Если вода находится в парообразном состоянии, то ее молекулярная масса равна 18. Вода в жидкой фазе содержит не отдельно взятые молекулы, а их ассоциации, т.е. соединение молекул в более сложные агрегаты. Ассоциация молекул воды объясняется дополнительными водородными связями между молекулами.

В твердом состоянии молекулы воды располагаются слоями, между которыми существуют пустоты с размерами в пределах размеров самих молекул воды. Это объясняет уменьшение плотности льда, образующегося в процессе кристаллизации воды.

При нагревании воды часть тепла расходуется на разрушение водородных связей, энергия которых достигает 25 кДж/моль, что объясняет высокую теплоемкость воды. При температуре выше 20^о С молекулы воды утрачивают сложные структуры и образуют димеры – парно расположенные молекулы.

В обычных условиях вода не проявляется окислительных и восстановительных свойств из-за высокой энергии связи молекул кислорода и водорода в молекуле. Поэтому молекулы воды имеют устойчивость к нагреванию. Разрушение молекул вода начинается лишь при температурах более 1000^о С. Такой процесс называется термической диссоциацией. Согласно принципу Ле Шателье вода разлагается в большей степени с ростом температуры, однако эта зависимость не носит резкий характер.

Вода является химически активным веществом. При комнатных температурах вода вступает в реакцию с такими металлами как натрий, калий, кальций, барий и др. А при более высоких температурах она вступает в реакцию и смене активными металлами. С водой вступают в реакцию и активные неметаллы (фтор, хлор и др.) с образованием соответствующих кислот.

Существует несколько разновидностей воды, кроме обычной воды в нашем понимании. Такими видами являются тяжелая и сверхтяжелая вода. В состав первой входят атомы дейтерия, а торой – трития. Первые эксперименты по получению тяжелой воды были осуществлены в 1933 г., а сверхтяжелой в 1951 г. Данные виды воды используются в ядерных реакторах.

Учитывая количество изотопов водорода и кислорода, воду в природных условиях можно представить как сложное соединение 135 изотопных ее разновидностей. Однако основное количество представлено молекулой Н2О, что и определяет ее свойства в обычных условиях.

Для оценки качества воды ее подвергают физико-химическому анализу, что позволяет определить физические и химические показатели качества. К физическим показателям качества относятся температура, запах, вкус, прозрачность, мутность, плотность цветность и некоторые другие. В качестве химических показателей можно назвать наличие взвешенных веществ, сухого остатка, окисляемость, химическая потребность в кислороде, биологическая потребность в кислороде, хлороемкость, общая щелочность воды, жесткость, активная реакция среды (рН), наличие растворенного кислорода, наличие сероводорода, наличие диоксида углерода, наличие иода и др. элементов. Полный химический анализ воды позволяет получить достоверную информацию о качестве воды и возможности ее использования для различных целей. Особые требования предъявляются к питьевой воде. Одним из них является отсутствие бактерий и токсических элементов. Для питьевой воды вводятся определенные стандарты.