Водные ресурсы n Лекция 1 Гидросфера —

Водные ресурсы n Лекция 1

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты: океанов, морей, рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, подземных вод. В состав гидросферы также входит вода в атмосфере, почвенная влага и вода живых организмов. В гидросфере представлены основные фазовые состояния воды - жидкое, твердое и газообразное.

Вода - единственное химическое вещество, которое находится в природе в 3 -х агрегатных состояниях. Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: • Аномальный вид температурной зависимости плотности. При 40 С плотность воды - 1 г/см 3. Плотность льда - 0, 92 г/см 3, т. е. лед плавает на поверхности. • Способствует сохранению жизни в водоемах зимой (теплопроводность льда очень маленькая) • Вызывает эрозию. Вода проникает в микроскопические трещины, замерзает и увеличивает трещины

Аномальные свойства воды • Высокие: • Температура плавления (0 °C) • Удельная теплота плавления (333, 55 к. Дж/кг) • Температура кипения (100 °C) • Удельная теплота парообразования (2250 к. Дж/кг) • Теплоёмкость (75, 37 Дж/(моль·К) ) 6

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: • Высокая теплоемкость воды (выше, чем у всех твердых и жидких веществ- за исключением аммиака и водорода) - океаны сглаживают колебания и перепад температуры воды от экватора до полюсов. (разница до 30 градусов).

Аномальные свойства воды • • Все эти свойства связаны с тем, что разрыв водородных связей требует дополнительных энергетических затрат. Высокая теплота парообразования спасает Землю от перегрева. Высокая теплоёмкость позволяет сглаживать резкие температурные колебания. Вода – охладитель в технологических процессах. 8

II Аномальные свойства воды Увеличение плотности: • • льда при таянии; воды при нагревании от 0 °C до 3, 98 °C. • • За счёт водородных связей лёд имеет характерную кристаллическую структуру, содержащую полости. При таянии эти связи рвутся, полости частично заполняются, и в результате молекулы воды «укладываются» плотнее. Благодаря этому свойству природные водоёмы достаточной глубины не промерзают до дна. 9

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: • Высокая теплота плавления воды, т. е. льда. Весна и осень на Земле - фазовый переход воды. Сравнительно легко нагреваясь или охлаждаясь, вода, снег, лед для перехода в другое фазовое состояние требует значительных расходов энергии. Поэтому переходы растянуты во времени.

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: • Высокая теплота испарения Наибольшее значение теплоты испарения приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву ее поверхности. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию воздушных масс, вызывая ураганные ветры.

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: n Поверхностное натяжение Максимальное, за исключением ртути, поверхностное натяжение воды приводит к появлению ряби и волн на водной поверхности уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает площадь водной поверхности, и интенсифицируются процессы теплопередачи между атмосферой и гидросферой

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: • Диэлектрическая постоянная имеет аномально высокое значение. Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды, мы всегда имеет дело с ее растворами

Аномально высокая теплоёмкость воды обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями. Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. .

Строение молекулы воды Большая разница электроотрицательностей кислорода и водорода (c. O = 3. 44; c. H = 2. 20) вызывает полярность молекулы воды: в области кислородного ядра образуется частичный «-» , в области двух водородных ядер – частичный «+» . Частичный заряд – по отношению к заряду электрона (-1. 6· 10 -19 Кл), с соответствующим знаком. 15

Водородные связи и образование ассоциатов n n n Полярность молекул воды вызывает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты (H 2 O)x, причина образования которых – водородные связи. Водородные связи – невалентные (главным образом электростатические) взаимодействия между несущими частичный «+» ядрами водорода одних молекул воды и несущими частичный «-» ядрами кислорода других молекул воды. Энергия водородной связи (≈21 к. Дж/моль) меньше энергии внутримолекулярной связи O–H (286. 6 к. Дж/моль). Возникновение и распад ассоциатов – динамический процесс: x. H 2 O ↔ (H 2 O)x Ввиду особенностей электронного строения молекулы воды ассоциаты, образуемые за счёт водородных связей, имеют тетраэдрическую координацию. 16

Использование пресной воды в Российской Федерации, 2000 г.

Для производства…. требуется воды n n n Выплавка 1 т чугуна и перевод его в стальпрокат -50 -250 м 3 1 т азотной кислоты 80 -180 м 3 Х/б ткань 30 -1100 м 3 Синтетическая ткань 2000 – 3000 м 3 Резина - 2500 м 3 1 т пшеницы – 1000 км 3

Для охлаждения энергоблоков n n ТЭС мощностью 1 млн квт необходимо 1 -1, 6 км 3 воды в год АЭС мощностью 1 млн квт необходимо 1, 6 -3 км 3

Для питья человеком используется вода с солесодержанием до 1 г/л, иногда до 3 г/л, выше – опасно. Некоторые животные переносят более соленую воду – до 10 г/л, например, овцы и верблюды. Ультрапресную воду пить тоже нельзя – происходит вымывание солей кальция из организма.

Проблемы использования воды v. Дефицит воды. v. Избыток воды v. Антропогенное загрязнение воды v. Загрязнение питьевой воды v. Засоление и заболачивание почвы

Дефицит воды. Некоторые специалисты считают, что проблема обеспечения населения достаточным количеством пресной воды одна из наиболее долгосрочных проблем человечества. . ПРИЧИНЫ: • Снижение среднегодовой суммы осадков • Высокая температура воздуха • Быстрый рост населения и нерациональное использование земель.

Расход пресной воды в мире: Азия – 60% Северная Америка – 15% Европа – 13% Южная Америка Африка 12% Почти 150 из 214 крупнейших рек мира используются одновременно, по меньшей мере, 2 государствами, а 12 из них - пятью и больше. В этих странах живет 40% населения Земли

Основные межгосударственные конфликты из-за воды n n n Израиль, Иордания, Ливан и Сирия получают всю воду из бассейна Иордана. В Африке – Нил, водами которого пользуются 10 государств, в т. ч. Египет, Эфиопия, Судан В Азии – русло Ганга (Индия и Бангладеш), Инд (Индия и Пакистан). В Центральной Азии- Амударья и Сырдарья (Казахстан, Киргизия, Таджикистан, Туркмения, Узбекистан) Индокитай – Меконг (Китай, Лаос, Камбоджа, Вьетнам, Таиланд)

Избыток воды Возникает при достаточной среднегодовой сумме атмосферных осадков, но большую часть получают в одно время года. Сток стремителен, плохо задерживается, приводит к наводнениям Индия - 90% осадков выпадает с июня по сентябрь. Стихийное природное бедствие, но его увеличивает и хозяйственная деятельность человека: n Распашка земель n Вырубка леса n Перевыпас скота n Добыча полезных ископаемых n Урбанизация.

Антропогенное загрязнение воды. Для природных вод характерны следующие катионы: Са 2+, Mg 2+, и анионы: СО 32 -, НСО 3 -, SO 42 -, Cl-, Br- (для морской воды). Ни тяжелых металлов, ни органических высокомолекулярных соединений нет. В результате антропогенной деятельности в водоемы поступают ионы тяжелых металлов. Источники: гальванические и металлургические производства, химические средства защиты растений (пестициды, гербициды и др. ). – болезнь Минамата