Геосферы планеты Земля и проблемы устойчивого развития

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

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.

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.

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

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:

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:

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:

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

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:

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

+ 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

(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

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.

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.

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.

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).
 

различных единицах концентрации.

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.

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.

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.

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.

ммоль-экв./л и процентное содержание каждого иона от соответствующей суммы. Полученные

значения представляют собой концентрацию выраженную в %-экв.
 

таблице.

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.

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.

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.

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.

(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.).

* 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.).

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

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

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.

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.

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

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-

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.

рН водоемов стабилизируется на значениях рН

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.

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.
.

примесей в 1 литре сточной воды,
когда окисление происходит биологическим

путем, за счет деятельности микроорганизмов.

Интегральная характеристика загрязненности

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

слой
гиполимнион

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.

моющие средства.

+ 138 О2




ОКИСЛЕНИЕ МЕРТВОЙ ОРГАНИКИ
1 молекула фитопланктона

-138 О2

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.

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.

отсутствие свободного кислорода.
Процесс протекает с образованием метана и СО2
Основные технологические

параметры процесса:
температура - 50-60 0С;
рН от 6,7 до 7,4 (повышение рН вызывает снижение скорости процесса брожения, а при рН выше 8 оно прекращается);
концентрация органических веществ (по БПК) обычно выше 5000 мгО2/л, однако при высокой концентрации микроорганизмов (1-3%) анаэробный процесс протекает и при более низком содержании органических веществ - вплоть до 1000 мгО2/л;
микробы чувствительны к наличию некоторых соединений, особенно пероксидов и хлор- и серосодержащих производных, поэтому в ряде случаев их приходится предварительно удалять.