Геосферы планеты Земля и проблемы устойчивого развития

Содержание

Слайд 2

Система контроля знаний Виды работ Баллы 1. Контрольные работы: Физико-химические процессы

Система контроля знаний


Виды работ Баллы
1. Контрольные работы:
Физико-химические процессы в гидросфере

10
Физико-химические процессы в почве 10
Зачетная контрольная работа 15
Контрольные по фильмам 10
Самостоятельная работа 5
Доклады 10
Итого в семестре 60
Экзамен 40
Слайд 3

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляющая совокупность всех водных объектов планеты:

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.
Слайд 4

Границы гидросферы Воды Мирового океана охватывают территорию в 71% Земли. Средняя

Границы гидросферы
Воды Мирового океана охватывают территорию
в 71% Земли.
Средняя глубина

океана составляет 3800 метров, а максимальная – 11022 метра.
На суше расположены так называемые континентальные воды (поверхностные и подземные), которые обеспечивают всю жизнедеятельность биосферы, водоснабжение, обводнение и орошение.
Гидросфера имеет нижнюю и верхнюю границу в литосфере. Она проходит по так называемой поверхности Мохоровичича.
Верхняя граница располагается в верхних слоях атмосферы.
Слайд 5

Вода - единственное химическое вещество, которое находится в природе в 3-х

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 40С плотность воды - 1 г/см3.
Плотность льда - 0,92 г/см3, 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
Слайд 6

Высокая теплоемкость воды (выше, чем у всех твердых и жидких веществ-

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).

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле:

Слайд 7

Высокая теплота плавления воды, т.е. льда. Весна и осень 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:

Слайд 8

Высокая теплота испарения Наибольшее значение теплоты испарения приводит к тому, что

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:

Слайд 9

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле: Поверхностное

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле:

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
Слайд 10

Диэлектрическая постоянная Диэлектрическая постоянная имеет аномально высокое значение. Это определяет самую

Диэлектрическая постоянная
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

Свойства воды, играющие важную роль в поддержании жизни на Земле:

Слайд 11

Соленость, или общая минерализация Общая минерализация представляет собой суммарный количественный показатель

Соленость, или общая минерализация

Общая минерализация представляет собой суммарный количественный показатель содержания

растворенных в воде веществ. , которые находятся именно в виде солей.
К числу наиболее распространенных относятся неорганические соли
бикарбонаты
хлориды
сульфаты кальция, магния, калия и натрия
небольшое количество органических веществ, растворимых в воде
Слайд 12

Классификация природных вод по величине их минерализации

Классификация природных вод по величине их минерализации

Слайд 13

Слайд 14

Мировые запасы воды

Мировые запасы воды

Слайд 15

Слайд 16

Глобальный кругооборот воды в природе Qиспарения = Qосадки Qиспарения = Qиспарения

Глобальный кругооборот воды в природе
Qиспарения = Qосадки
Qиспарения = Qиспарения океан +

Qиспарения суша
520 тыс. км3 = 449 тыс. км3 + 71 тыс. км3
Qосадки = Qосадки океан + Qосадки суша
520 тыс. км3 = 404 тыс. км3 + 116 тыс. км3
_____________________________________________
Океан Суша
- 45 тыс. куб. км +45 тыс. куб. км
Слайд 17

Примерный расход воды в мире (тыс. км3) Сельское хозяйство 7 Промышленность

Примерный расход воды в мире
(тыс. км3)
Сельское хозяйство 7
Промышленность 1,7
Разбавление
сточных

вод 9
В быту 0,6
Прочие 0,4
Подземный сток 13
Итого 31,7
Остаток 13,3
Слайд 18

Слайд 19

Слайд 20

Слайд 21

Средний состав природных вод

Средний состав природных вод

Слайд 22

Легко заметить, что для всех рассмотренных нами природных вод более 90%

Легко заметить, что для всех рассмотренных нами природных вод более 90%

растворенных солей представлено одними и теми же анионами и катионами. Поэтому катионы
Na+ , Ca2+, Mg2+ и K+
называют главными катионами, а анионы
HCO3- , SO42- и Cl- -
главными анионами природных вод.
Слайд 23

В океанической воде обнаружены практически все элементы, но содержание их весьма

В океанической воде обнаружены практически все элементы, но содержание их весьма

различно. На первые восемь элементов - кислород (85,7%), водород (10,8%), хлор (1,93%), натрий (1,03%), магний (0,13%), сера (0,09%), кальций (0,04%), калий (0,039%) - приходится 99,78% массы воды Мирового океана. Все остальные элементы в сумме составляют менее 0,3% от массы гидросферы.
Слайд 24

Для выражения концентрации примеси в растворах, как и для газов используется

Для выражения концентрации примеси в растворах, как и для газов используется

понятие миллионной доли (млн-1 или в англоязычной транскрипции ppm), однако в случае растворов речь идет о массовой доле. Так 1 млн-1 (масс.) означает содержание 1г примеси в 1т раствора. Уточнение (масс.) часто опускается.

Для измерения содержания главных компонентов и примесей в природных водах помимо отмеченных выше массовых концентраций ( млн-1, 0/00, г/л и мг/л), часто используются такие единицы измерения как моль/л, мкг/л, мг-экв /л, %-экв.

Слайд 25

Пример. Выразите содержание главных катионов и главных анионов морской воды в

Пример. Выразите содержание главных катионов и главных анионов морской воды в

промиллях и миллимолях на литр.

Для перевода концентрации, выраженной в млн-1, в промилли необходимо лишь уменьшить исходную концентрацию в тысячу раз:
С (0/00) = С` (млн-1) * 10-3.

Для выражения концентрации главных компонентов морской воды в миллимолях на литр:

С`` (моль/л) = С (0/00) *ρ (кг/л) * 1000 / (Μ.Μ)иона (г/моль).

Слайд 26

Содержание главных анионов и катионов в морской воде, выраженное в различных единицах концентрации.

Содержание главных анионов и катионов в морской воде, выраженное в различных

единицах концентрации.
Слайд 27

Для удобства представления химического состава природных вод принято использовать запись не

Для удобства представления химического состава природных вод принято использовать запись не

в виде таблиц, а в виде формулы. В этом случае состав воды записывают в виде дроби. В числителе дроби в порядке уменьшения концентрации записывают химические формулы всех анионов, в знаменателе – всех катионов. В формулу вносятся лишь те катионы и анионы, содержание которых превышает 1 %-экв. Рядом с химическим символом иона цифрами записывают величину его концентрации, выраженную в проценто-эквивалентах. Слева перед дробью в виде химической формулы и цифры, характеризующей количество в мг/л, записывают содержание в воде растворимых примесей, а затем микроэлементов, если они представляют геохимический интерес. Далее следует значение округленной величины общей минерализации воды (М), выраженной в г/л и деленной на сумму ммоль-экв. анионов в растворе. Справа от формулы принято записывать показатели, характеризующие рН и окислительно-восстановительный потенциал воды (мВ), если они известны.
Слайд 28

Пример . Представьте средний состав морской воды, концентрация растворенного диоксида углерода

Пример . Представьте средний состав морской воды, концентрация растворенного диоксида углерода в

которой составляет 1000 мг/л, в виде формулы.

Для решения задачи следует определить значение концентраций соответствующих примесей в воде в %-экв и записать состав в соответствии с принятыми правилами в виде дроби. 
Поскольку %-экв. определяют процентное содержание (долю) соответствующей примеси, выраженной в моль-экв./л или в ммоль-экв./л, от общей суммы моль-экв./л или ммоль – экв./л анионов или катионов, присутствующих в данном растворе, прежде всего необходимо выразить концентрации анионов и катионов в ммоль-экв./л и найти их суммы.

Слайд 29

Для перевода концентраций в ммоль-экв/л необходимо разделить значение концентрации компонента, выраженные

Для перевода концентраций в ммоль-экв/л необходимо разделить значение концентрации компонента, выраженные

в ммоль/л, на соответствующий фактор эквивалентности.
Сi (ммоль-экв./л) = Ci (ммоль/л ) / f
где: f – фактор эквивалентности, который равен 1/2 для двух зарядных анионов и катионов и 1 для однозарядных ионов.
Слайд 30

Для перевода концентраций в ммоль-экв/л необходимо умножить значение концентрации компонента, выраженные

Для перевода концентраций в ммоль-экв/л необходимо умножить значение концентрации компонента, выраженные

в ммоль/л, на соответствующий фактор эквивалентности.
Сi (ммоль-экв./л) = Ci (ммоль/л ) / f
где: f – фактор эквивалентности, который равен 1/2 для двух зарядных анионов и катионов и 1 для однозарядных ионов.
Слайд 31

На следующем этапе определим суммарные концентрации анионов и катионов в ммоль-экв./л

На следующем этапе определим суммарные концентрации анионов и катионов в ммоль-экв./л

и процентное содержание каждого иона от соответствующей суммы. Полученные значения представляют собой концентрацию выраженную в %-экв.
Слайд 32

Результаты вычислений для анионов и катионов морской воды представлены в таблице.

Результаты вычислений для анионов и катионов морской воды представлены в таблице.

Слайд 33

Значение минерализации воды можно принять равным сумме концентраций примесей, выраженных в

Значение минерализации воды можно принять равным сумме концентраций примесей, выраженных в

г/л. Для определения концентрации примесей в г/л следует умножить соответствующее значение, выраженное в ммоль/л, на молярную массу и разделить на тысячу:
Сi (г/л) = Ci (ммоль/л) * (M.М)i-иона / 1000
 Величина минерализации воды в рассматриваемом случае, при округлении до целого грамма, равна 3.
Слайд 34

В соответствии с требованиями записи в виде формулы состав морской воды

В соответствии с требованиями записи в виде формулы состав морской воды

можно представить в виде дроби, в числителе которой в порядке уменьшения концентрации запишем химические символы всех анионов, кроме НСО3-, в знаменателе – всех катионов, представленных в таблице, поскольку их содержание превышает 1 %-экв. Рядом с химическим символом иона цифрами записывают величину его концентрации, выраженную в проценто-эквивалентах. Слева перед дробью в виде химической формулы и цифры, характеризующей концентрацию в мг/л, записывают содержание в воде диоксида углерода (см. условия задачи). Далее округленная величина общей минерализации воды (М), выраженная в г/л и деленная на сумму ммоль-экв. анионов в растворе.
Слайд 35

Состав данной воды можно представить в следующем виде: СО21000М(3/592)*[Cl(90,3)SO4(9,3)]/[Na(78,5)Mg(16,2)Ca(3,6) K(1,7)]

Состав данной воды можно представить в следующем виде:
СО21000М(3/592)*[Cl(90,3)SO4(9,3)]/[Na(78,5)Mg(16,2)Ca(3,6) K(1,7)]

Слайд 36

Закон Дитмара В воде открытого океана независимо от абсолютной концентрации количественные

Закон Дитмара

В воде открытого океана независимо от абсолютной концентрации количественные соотношения

между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны. В воде открытого океана независимо от абсолютной концентрации количественные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны.
Слайд 37

Под “хлорностью” воды подразумевают число граммов ионов хлора, эквивалентное сумме галогенов,

Под “хлорностью” воды подразумевают число граммов ионов хлора, эквивалентное сумме галогенов,

осаждаемых азотнокислым серебром, содержащееся в 1 кг воды. В качестве единиц измерения хлорности принято использовать промилли (0/00) определяющие количество граммов на килограмм раствора.
Слайд 38

Формирования состава природных вод По характеру воздействия: Физико-географические (рельеф, климат и

Формирования состава природных вод

По характеру воздействия:
Физико-географические (рельеф, климат и т.п.);
Геологические (вид

горных пород, гидрогеологические условия;
Биологические (деятельность живых организмов);
Антропогенные (состав сточных вод, состав твердых отходов);
Физико- химические (химические свойства соединений, кислотно- основные и окислительно-восстановительные условия и др.).
Слайд 39

Процессы растворения газов в природных водах Закон Генри [Сi,р-р] = КГi

Процессы растворения газов в природных водах

Закон Генри
[Сi,р-р] = КГi *

Рi где Сi,р-р – концентрация i газа в растворе (моль/л); КГi – константа Генри, для данной температуры раствора (моль/л*Па или моль/л*атм); Рi – парциальное давление i газа в газовой смеси, находящейся в равновесии с раствором (Па или атм.).
Слайд 40

Слайд 41

Слайд 42

Слайд 43

«Главные» растворимые минералы Галит – NaCl (KCl) Гипс - CaSO4*2H2O Кальцит

«Главные» растворимые минералы

Галит – NaCl (KCl)
Гипс - CaSO4*2H2O
Кальцит – CaCO3
Доломит –

СaMg(CO3)
Галит – высокая минерализация
Гипс –минерализация 2-3 г/л (в смеси с NaCl) до 7 г/л
Кальцит – в отсутствии CO213 мг/л, в присутствии CO2 до 1 г/л
Слайд 44

Жесткость природных вод Жесткостью воды называется свойство воды, обусловленное содержанием в

Жесткость природных вод

Жесткостью воды называется свойство воды, обусловленное содержанием в ней

ионов кальция и магния.

Ж = [Са2+]*f (Ca) /M (Ca) + [Mg2+]*f (Mg) /M (Mg)
Ж = [Са2+]/ 20,04 + [Mg2+ ]/ 12,156
[Са2+ ] и [Mg2+ ] в мг/л
Ж – моль/куб. м

Слайд 45

По величине общей жесткости природные воды принято делить на ряд групп:

По величине общей жесткости природные воды
принято делить на ряд групп:
вода

очень мягкая - Ж < 1,5 моль/куб.м;
вода мягкая - 1,5 моль/куб.м < Ж < 3,0 моль/куб.м;
вода средней жесткости - моль/куб.м < Ж < 5,4 моль/куб.м;
вода жесткая - 5,4 моль/куб.м < Ж < 10,7 моль/куб.м;
вода очень жесткая - 10,7 моль/куб.м < Ж.
Слайд 46

Немецкий градус жесткости соответствует содержанию в воде 10, 0 мг/л СаО.

Немецкий градус жесткости соответствует содержанию в воде 10, 0 мг/л СаО.
Один

Французкий градус жесткости соответствует содержанию в воде 10 мг/л СаСО3.
Один американский градус жесткости соответствует содержанию в воде 1 мг/л СаСО3.
1моль/куб.м = 2,804 Немецких градуса жесткости;
1моль/куб.м = 5,005 Французских градуса жесткости;
1моль/куб.м = 50,050 Американских градусов жесткости.
Слайд 47

Растворимость карбонатов и рН подземных и поверхностных природных вод Процесс непосредственного

Растворимость карбонатов и рН подземных и поверхностных природных вод

Процесс непосредственного растворения

карбоната кальция по уравнению:
CaCO3 = Ca2+ + CO32-
CaCO3 + CO2 (р-р) = Ca2+ + 2НCO3-

При равновесии с карбонатными породами рН поверхностных вод должен составлять
рН=8,3

Слайд 48

Слайд 49

Слайд 50

Щелочность природных вод Одной из важнейших особенностей большинства природных вод является

Щелочность природных вод

Одной из важнейших особенностей большинства природных вод

является способность нейтрализовать ионы водорода.
Эта способность называется щелочностью воды и определяется экспериментально при титровании пробы воды сильной кислотой, обычно HCl, в присутствии фенолфталеина (рН перехода окраски 8,3) и затем метилоранжа (рН перехода
краски 4,5)
Щ = [HCO3 - ] +2 [CO32- ] +[OH-] (моль/л)
Основными компонентами, ответственными за процессы связывания ионов водорода, в большинстве природных вод являются ионы
HCO3-
Слайд 51

Процессы закисления поверхностных водоемов Первый этап. Щ=0,1 ммоль/л Обычно рН =7-8.

Процессы закисления поверхностных водоемов

Первый этап.
Щ=0,1 ммоль/л Обычно рН =7-8.
В

период интесивного поступления кислых дождей рН снижается до рН = 5,5

С прекращением интенсивного поступления кислых осадков водоем переходит в обычное состояние, рН поднимается до первоначальных значений.

Второй этап
Щ – менее 0,1 ммоль/л
рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года (отсутствует контакт с карбонатными породами);
О таких водоемах обычно говорят как об умеренно кислых.

Слайд 52

Процессы закисления поверхностных водоемов Третий этап закисления Щ = 0; рН водоемов стабилизируется на значениях рН

Процессы закисления поверхностных водоемов

Третий этап закисления
Щ = 0; рН

водоемов стабилизируется на значениях рН<5 (обычно рН=4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвенном слое. Гумусовые соединения в основном представлены в водоемах растворами слабых органических кислот, имеющими рН<5. Связывая или выделяя ионы Н+, эти кислоты стабилизируют значение рН в водоеме.
Слайд 53

Интегральная характеристика загрязненности а) Химическая потребность в кислороде Это количество кислорода,

Интегральная характеристика загрязненности

а) Химическая потребность в кислороде

Это количество кислорода, необходимое для

окисления примесей в 1 литре сточной воды, когда окисление происходит химическим путем.
Для определения ХПК проводят окисление примесей перманганатом калия (KMnO4) при нагревании, затем количество перманганата, израсходованного на окисление, пересчитывают на количество кислорода.
В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования величина ХПК не должна превышать 15 мгО2/дм3.
.
Слайд 54

б) Биологическая потребность в кислороде Это количество кислорода, необходимое для окисления

б) Биологическая потребность в кислороде
Это количество кислорода, необходимое для окисления примесей

в 1 литре сточной воды,
когда окисление происходит биологическим путем, за счет деятельности микроорганизмов.

Интегральная характеристика загрязненности

Слайд 55

Процесс окисления органического вещества общей формулой {CH2О} можно представить следующим уравнением

Процесс окисления органического вещества общей формулой {CH2О} можно представить следующим

уравнением реакции:
{CH2О} + О2 = СО2 + Н2О
В связи с отсутствием, по условию примера, дополнительного поступления кислорода, максимальное количество органического вещества, которое может быть окисленно в воде будет определяться содержанием кислорода в воде, которое будет соответствовать условиям равновесия с воздухом, устанавливающимся до начала процесса окисления. При равновесии приземным воздухом это количество составит
[С(кисл.)] = К Г(кисл.) * Р (кисл.)= 8,3 мг/л
Слайд 56

СТРАТИФИКАЦИЯ ВОДОЕМОВ Разделение водоема на слои при температурной стратификации Верхний слой

СТРАТИФИКАЦИЯ ВОДОЕМОВ

Разделение водоема на слои при температурной стратификации
Верхний слой
ЭПИЛИМНИОН
Средний слой
Зона термоклина
Нижний слой
гиполимнион

Слайд 57

Эфтрофикация (эвтрофикация)водоемов. повышение биологической продуктивности водных экосистем в результате накопления в

Эфтрофикация (эвтрофикация)водоемов.

повышение биологической продуктивности водных экосистем в результате накопления в воде

биогенных элементов естественного или антропогенного происхождения.
Обогащение водоема биогенными элементами (N, Р и др.), поступающими со сточными водами, а также с поверхностным стоком с удобряемых полей, приводит к “цветению” воды и к резкому ухудшению ее качества.
Слайд 58

БИОГЕНЫ - нитрат, фосфат, калий - ионы: Удобрения Отходы животноводства Отходы человека Фосфат- содержащие моющие средства.

БИОГЕНЫ - нитрат, фосфат, калий - ионы:
Удобрения
Отходы животноводства
Отходы человека
Фосфат- содержащие моющие

средства.
Слайд 59

2Cорг + SO42- + 2H2O = H2S + 2HCO3-

2Cорг + SO42- + 2H2O = H2S + 2HCO3-

Слайд 60

ФОТОСИНТЕЗ в ВОДОЕМЕ C106 H 263 O 110 N 16 P

ФОТОСИНТЕЗ в ВОДОЕМЕ

C106 H 263 O 110 N 16 P +

138 О2
ОКИСЛЕНИЕ МЕРТВОЙ ОРГАНИКИ
1 молекула фитопланктона
-138 О2
Слайд 61

Окислительно-восстановительные процессы в гидросфере Окислительно-восстановительные реакции исключительно важную роль в описании

Окислительно-восстановительные процессы в гидросфере

Окислительно-восстановительные реакции исключительно важную роль в описании

процессов протекающих в природных водоемах. Предыстория и качество природных вод в значительной степени зависят от вида окислительно-восстановительных реакций, их кинетических характеристик и величины окислительно-восстановительного потенциала, который соответствовал бы данной системе при установлении равновесия.
Слайд 62

Слайд 63

Слайд 64

Слайд 65

Рис...Общая схема очистки городских сточных вод.

Рис...Общая схема очистки городских сточных вод.

Слайд 66

Рис...Схема трёхкоридорного аэротенка.

Рис...Схема трёхкоридорного аэротенка.

Слайд 67

Очистка от органических веществ Аэробный процесс Для жизнедеятельности живых организмов необходимо

Очистка от органических веществ

Аэробный процесс
Для жизнедеятельности живых организмов необходимо поддерживать

соответствующие условия:
температура процесса 20-30 0С;
рН среды 6,5-7,5;
соотношение биогенных элементов БПКп : N : Р не более 100:5:1;
кислородный режим - не ниже 2 мгО2/л;
содержание токсичных веществ не выше:
тетраэтилсвинца - 0,001 мг/л,
соединений бериллия, титана, шестивалентного хрома и оксида углерода - 0,01 мг/л,
соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля - 0,1мг/л,
сульфата меди - 0,2 мг/л,
цианистого калия - 2 мг/л и т.д.