Міністерство Освіти України
Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури
Контрольна робота
Хімія води та мікробіологія
Виконала студентка
заочного факультету
Хвостова Л.В.
групи ВВЗ-33
залікова книжка № 2007-018
м. Харків 2008
1. Охарактеризуйте особливості водневого зв'язку в рідкій воді, льоду і водяній парі
Кожна молекула води може утворити чотири водневих зв'язку: дві виникають при взаємодії неподілених електронних пар атома кисню з атомами водню сусідніх молекул води і дві дають атоми водню, які взаємодіють з атомами кисню двох інших молекул води. Водневий зв'язок виникає в результаті впровадження дуже малого за розмірами позитивно поляризованого атома водню однієї молекули в електронну оболонку негативно поляризованого атома кисню іншої молекули води. Довжина водневого зв'язку О ... Н змінюється в межах від 0,14 до 0,2 нм. Енергія її становить 17-33 кДж / моль. Існуванням водневих зв'язків пояснюється аномально висока температура плавлення води в порівнянні з водневими сполуками аналогів кисню (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Водневі зв'язки і донорно-акцепторні взаємодії сприяють виникненню високої впорядкованості внутрішньої структури в рідкій воді. Водневі зв'язки обумовлюють високий внутрішній тиск, який сприяє формуванню у води деяких особливих властивостей.
Розглянемо структуру води в різних агрегатних станах.
Лід має електропровідність близько 10 -9 Ом -1 * см -1 при температурі - 10 0 С. Електропровідність льоду Бьеррум пояснює існуванням іонізаційних дефектів в кристалі льоду. Іони можуть утворитися при переході протона той однієї молекули води до іншої за схемою 2Н 2 О ↔ Н 3 О + + ОН -.
Водяна пара складається головним чином з поодиноких молекул води, але в ньому зустрічаються і асоційовані молекули (ді-і тримери).
2. У чому суть конструктивного обміну або анаболізму?
Живильні речовини, які поглинаються клітинами в результаті складних біохімічних реакцій, перетворюються на специфічні клітинні компоненти. Біохімічні процеси, які відбуваються при цьому, становлять суть конструктивного обміну або анаболізму. Конструктивні процеси йдуть з поглинанням енергії.
Центральне місце в енергетичному обміні займає АТФ - аденозинтрифосфорная кислота. Макроергічні зв'язку в молекулі АТФ дуже нестійкі. Гідроліз таких зв'язків призводить до звільнення великої кількості енергії:
АТФ + Н 2 О → АДФ + Н 3 РО 4, ΔН =- 30,56 кДж
Запас АТФ в клітинах весь час відновлюється за рахунок реакції приєднання залишку ортофосфорної кислоти до молекули АДФ - аденозіндіфосфорная кислота:
АДФ + Н 3 РО 4 → АТФ + Н 2 О
Цей процес проходить з поглинанням енергії, для чого використовується енергія світла або енергія хімічних реакцій.
3. Які фактори визначають стійкість дисперсних систем?
Дисперсні системи - це особлива форма організації речовин; вони широко поширені в природі і мають важливе практичне значення.
Дисперсними системами називають гетерогенні системи з двох або більше фаз з сильно розвиненою поверхнею розділу між ними.
Відрізняють агрегативну і кінетичну стійкість дисперсних систем. Агрегативна стійкість - це здатність дисперсних систем зберігати свою ступінь дисперсності, здатність протистояння злипання, укрупнення частинок дисперсної фази. Кінетична стійкість пов'язана із здатністю частинок дисперсної фази до хаотичного теплового броунінского руху. Чим менше розмір частинок, чим вище температура і менша в'язкість дисперсної середовища, тим сильніше броунінское рух, тим вище кінетична стійкість системи. Грубодисперсні системи агрегативно і кінетічно нестійкі.
4. Які організми належать до водних мікроорганізмів?
Класифікуйте водні мікроорганізми.
Кількість мікроорганізмів у водному середовищі визначається такими факторами, як наявність органічних речовин, вміст розчиненого кисню, температура, характер водоймища і т.п. У підземних водах і водах атмосферних опадів міститься незначна кількість мікроорганізмів.
У поверхневих водоймищах чисельність мікроорганізмів визначається ступенем забруднення води органічними сполуками. У воді річок вона може коливатися від декількох тисяч до мільйона клітин і більше в 1 мл. Донний мул, у якому більше поживних речовин у вигляді органічних залишків, є середовищем існування для багатьох мікроорганізмів. У водоймах з уповільненим стоком (водосховищах), озерах кількість мікроорганізмів зменшується від берегової лінії і з зростанням глибини. Видовий склад мікроорганізмів, що живуть в поверхневих водоймищах, вкрай різноманітний.
Водні організми, що населяють дно водойми і донні відкладення, називаються бентосом. До бентосних форм мікроорганізмів відноситься величезна кількість бактерій, водорості, найпростіші, гриби та ін Особливо багато бактерій, які здійснюють перетворення біогенних елементів, знаходиться у верхньому шарі донних відкладень. Вони можуть утворювати на поверхні донних відкладень плівку завтовшки в декілька міліметрів. Широко поширені в донних відкладеннях найпростіші, коловертки. Максимальна кількість мікроорганізмів у донних відкладеннях спостерігається влітку і восени. На великих глибинах мікробентосние форми широко представлені, в основному, бактеріями-мінералізаторами. Процеси розкладання органічних речовин з найбільшою напруженістю йдуть саме в поверхневих шарах донних відкладень.
5. Способи живлення мікроорганізмів
Для здійснення процесів росту і розмноження, тобто життєдіяльності, необхідні поживні речовини з навколишнього середовища.
Надходження поживних речовин у бактеріальну клітину відбувається без енергетичних витрат, за рахунок пасивної дифузії або полегшеної дифузії (за допомогою ферментоподобних білків - пермеаз).
Способи живлення мікроорганізмів дуже різноманітні. Потрібно відрізняти три основні способи харчування: голофітное, сапрозойное і голозойное.
Голофітное харчування здійснюється за типом фотосинтезу рослин. Серед мікроорганізмів цей спосіб притаманний водоростям, пофарбованим формам джгутикових і деяким бактеріям.
Голозойное спосіб харчування обумовлює розвиток у мікроорганізмів спеціальних органоидов для перетравлення їжі, а в деяких - і для її захоплення. Наприклад, незабарвлені жгутикові і війчасті у інфузорії мають ротову порожнину, до якої їжа підганяється відповідно джгутиками і віями.
При сапрозойном способі харчування корисні речовини потрапляють в клітину через всю її поверхню, оскільки такі мікроорганізми не мають спеціальних органів для захоплення їжі. Цей спосіб харчування притаманний бактеріям, мікроскопічні гриби, дріжджі.
Необхідна умова - приймальня форма поживних речовин, в якій вони можуть засвоюватися мікроорганізмом.
6. Викласти принципи стабілізаційної обробки води. Які хімічні сполуки доцільно застосовувати для стабілізаційної обробки води замкнутих технологічних циклів?
Води, в яких дотримується основне карбонатна рівновага, називаються стабільними. Вони не мають свого складу при контакті з карбонатами, бетоном, карбонатними захисними плівками. Води, що містять надлишок вільної вугільної кислоти над рівноважної, називаються агресивними. При контакті з бетоном або карбонатними плівками такі води називають розчинення карбонатних складових. Агресивна дія цих вод виражається в розчиненні карбонату кальцію і вапна за рівняннями:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O ↔ Ca (HCO 3) 2
Ca (OH) 2 +2 CO 2 ↔ Ca (HCO 3) 2
Стабільність води оцінюють за методом Ланжельє, який заснований на тому, що даному значенню рН відповідає певна кількість вільної вуглекислоти, що знаходиться в рівновазі з іншими її формами. Величина рН, відповідна рівноваги, називається "рН рівноважного насичення води карбонатом кальцію" і позначається pH s обчислюють за формулою
pH s = pK 2 - p ПР CaCO 3 - lg [Ca 2 +] - lg Що +2,5 √ I +7,6,
де pK 2 - негативний логарифм константи 2-го ступеня дисоціації вугільної кислоти; p ПР CaCO 3 - негативний логарифм твори розчинності; [Ca 2 +] - концентрація іонів Ca 2 +, мг / л; Що - загальна лужність, мг-екв / л; I - іонна сила.
Стабілізація води, що містить агресивну вугільну кислоту, проводиться речовинами, що викликають підвищення лужності води. В якості реагентів застосовуються вапно, гідроксид і карбонат натрію. Реакції, що протікають при цьому, описуються рівняннями:
NaOH + CO 2 = NaHCO 3; Ca (OH) 2 +2 CO 2 = Ca (HCO 3) 2
Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O = 2 NaHCO 3
Агресивну воду можна зробити стабільною також шляхом фільтрування її через шар вапняку, мармуру, природного і полуобожженного доломіту ("магномасси"). При фільтруванні води через шар магномасси додатково проходить реакція взаємодії оксиду магнію з вугільною кислотою:
MgO +2 CO 2 + H 2 O = Mg (HCO 3) 2
Обробка нестабільних вод спрямована на зниження лужності і полягає в обробці їх кислотами (соляної, сірчаної) або в насиченні діоксидом вуглецю (рекарбонізація). Так, наприклад,
NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2
На деяких очисних спорудах використовуються мармурово-піщані фільтри, які дозволяють отримати не тільки осветленную, а й стабільну воду.
7. Які процеси визначають швидкість іонного обміну, чи залежить швидкість від концентрації домішок у воді?
Швидкість обміну залежить від розміну іона, величини його заряду і здібності до гідратації. Вона збільшується з підвищенням заряду іона і зменшенням ступеня гідратації. Робоча обмінна ємність катіонів по іону Na + приблизно в два рази менше, ніж по іонам Ca 2 + або Mg 2 +. Аніоніти мають велику вибірковість до сульфат-іону в порівнянні з хлорид-іоном. Робоча обмінна ємність по сульфат-іону на 40 - 50% вище, ніж по хлорид-йону. На робочу обмінну ємність впливає швидкість фільтрації через іонітових фільтр. При значній швидкості фільтрування води робоча обмінна ємність помітно зменшується. Ця залежність робочої обмінної ємності від швидкості фільтрування є спільною для всіх видів іонітів. Звичайно робоча обмінна ємність становить близько 60% від повної, але залежно від режиму фільтрування може змінюватися. Висота шару, при якій відбувається зниження жорсткості вихідної води до заданої величини, називається висотою захисного шару іоніту. На робочу обмінну ємність іонітів впливає і їх фракційний склад. Чим менше розмір зерен, тим вище швидкість обміну іонів. Розмір часток основної робочої фракції більшості марок іонітів становить 0,5 мм.
Робоча обмінна ємність іоніту залежить від солевмісту. Так, наприклад, робоча обмінна ємність катіоніту КУ-2 при збільшенні солевмісту від 1 до 15 мг-екв / л знижується приблизно на 15%.
8. Як перевірити в польових умовах, чи містить вода органічні сполуки невідомого походження?
Основну частину органічних забруднень води становлять білки, жири, вуглеводи і продукти їх розкладу.
Забруднення води органічними речовинами, які можуть бути джерелом живлення і енергії для мікроорганізмів, оцінюють безпосередньо - за кількістю кисню, який поглинають мікроорганізми в процесі біохімічного окислення цих речовин. Такий характеристикою є БПК - біохімічна потреба в кисні.
У набрану для проби воду потрібно додати на кінчику ножа перманганат калію, і простежити за реакцією. Якщо вода стане світліше, то в ній були присутні домішки органічного походження.
9. У чому різниця карбонатної і тимчасової твердості води? Яку жорсткість мають кислі води? Як знижують карбонатну жорсткість і усувають тимчасову?
Жорсткість води, зумовлена наявністю іонів Ca 2 + і Mg 2 +, приймається за загальну. У воді ці іони можуть бути пов'язані з різними аніонами (HCO 3 -, SO 4 2 -, Cl -, CO 3 2 - та ін.) Відповідно цьому жорсткість води, зумовлену наявністю гідрокарбонатів і карбонатів кальцію і магнію, називають карбонатної жорсткістю.
Карбонат кальцію має надзвичайно малу розчинність, рівну 14,45 мг / л у дистильованій воді при 25 0 С. Гідрокарбонат магнію при кип'ятінні теж переходить в важкорозчинні карбонат або основний карбонат магнію (Mg ОН) 2 СО 3. Таким чином, при кип'ятінні жорсткість води, викликана присутністю гідрокарбонатів кальцію і магнію, як би усувається. Тому така жорсткість називається усуненою або тимчасовою.
Слід розрізняти поняття карбонатна і переборна жорсткість. При переході HCO 3 - в CO 3 2 - і при випаданні карбонатів кальцію і магнію у воді залишається деяка кількість іонів Ca 2 +, Mg 2 +, CO 3 2 -, відповідне твору розчинності карбонату кальцію і основного карбонату магнію. У присутності сторонніх іонів розчинність цих сполук підвищується. Різниця між карбонатною і усуненою жорсткістю, зумовленої карбонатами кальцію і магнію, характеризує величину залишкової жорсткості.
10. Чи розрізняються класифікації стічних вод і домішок стічних вод?
Стічні води діляться на побутові, виробничі та зливові. Вони відрізняються один від одного своїм походженням, складом, біологічну активність і у зв'язку з цим - способами очищення.
Побутові стічні води утворюються в результаті практичної діяльності і життєдіяльності людей. При цьому змінюються фізичні і хімічні властивості води, а також її бактеріальна забрудненість. Хімічний склад побутових вод на відміну від виробничих стічних вод не схильний до значних якісних змін.
У стічних водах містяться домішки мінерального і органічного походження. Мінеральні сполуки в побутових стічних водах представлені солями амонію, фосфатами, хлоридами, гідрокарбонатами та іншими сполуками, що утворюються в результаті життєдіяльності людини і розкладання органічних речовин. Побутові стічні води мають зазвичай слаболужну реакцію середовища (рН 7,2 - 7,8). Мінеральні та органічні домішки у воді можуть в залежності від ступеня дисперсності перебувати в підвішеному, колоїдному і розчиненому станах. Співвідношення між вмістом мінеральних та органічних сполук.
1 1. У яких одиницях виражають кислотність води? Які характеристики окислювачів приймаються до уваги?
Іони водню, що зумовлюють кислотність води, утворюються при дисоціації вільних (сильних чи слабких) кислот, деяких кислотних солей (наприклад, гідросульфату натрію), а також внаслідок гідролізу солей, утворених слабкими підставами і сильними кислотами. При неповній дисоціації кислоти або частковому гідролізі солі концентрація вільних іонів Н +, що знаходяться в розчині, часто не відповідає концентрації водневих іонів, що вступають у реакцію нейтралізації з сильною основою. Концентрація реально присутніх іонів Н + в розчині за даних умов характеризується активною кислотністю. Активна кислотність встановлюється при колориметрическом і потенциометрическом визначенні рН.
Кислотність природних вод зазвичай обумовлена наявністю вільної вуглекислоти, а для деяких видів вод - також гуміновими та іншими слабкими органічними кислотами. При наявності цих кислот рН води звичайно не буває <4,5. Кислі рудні води, що містять сульфати заліза, марганцю, внаслідок гідролізу цих солей можуть мати більш низьке значення рН.
При аналітичному визначенні кислотності води розрізняють загальну і вільну кислотності. Вільна кислотність - це та частина загальної кислотності, що викликає зниження рН розчину до 4,5 і нижче. Вільна кислотність виражається кількістю титруватирозчину сильної основи (мг-екв / л), витраченого при нейтралізації до досягнення рН 4,5.
1 2. Викладіть фізико-хімічні методи очищення стічних вод від мінеральних домішок
Флотація - процес молекулярного прилипання частинок забруднень до поверхні розподілу двох фаз (вода - повітря, вода - тверда речовина). Процес очищення від СПАР, нафтопродуктів, волокнистих матеріалів флотацією полягає у створенні системи "частинка забруднення - бульбашки повітря", яка впливає на поверхню і утилізується.
Дистиляція полягає в кип'ятінні води з подальшою конденсацією водяної пари, при цьому конденсат буде практично позбавлений розчинених солей. Для потреб медицини, наукових експериментів ведуть подвійну перегонку води, а отриманий продукт називають бидистиллятом.
Гіперфільтрація (зворотний осмос) здійснюється шляхом переходу води з розчину через напівпроникну мембрану під впливом зовнішнього тиску. Надмірний тиск сольового розчину набагато вище ніж осмотичний. Дієвою силою зворотного осмосу є різниця тисків з різних сторін мембрани.
Коагуляція - процес видалення з води речовин, які знаходяться в колоїдному стані з допомогою хімічних реагентів - коагулянтів. Для позитивно заряджених колоїдних частинок коагулюють іонами є аніони, а для негативно заряджених - катіони. Як коагулянтів використовуються солі алюмінію, заліза (II), заліза (III) і т.д. Коагулююча здатність солей тривалентних металів в десятки разів вище, ніж двовалентних і в тисячу раз більше, ніж одновалентних.
Флокуляція - процес агрегації дрібних частинок забруднювачів у воді за рахунок виникнення містків між ними та молекулами флокулянтів. Флокулянтами є кремнієва кислота, ефіри, крохмаль, целюлоза, синтетичні органічні полімери (поліакриламід, поліоксіетілен, поліакрилат, Полиетиленаміни і т.д.).
Сорбція - процес поглинання забруднень твердими та рідкими сорбентами (активованим вугіллям, золою, дрібним коксом, торфом, силікагелем, активною глиною тощо).
Іонний обмін базується на видаленні зі стічних вод цінних домішок хрому, цинку, міді, ПАР за рахунок обміну іонами між домішками і ионитами на поверхні розподілу фаз.
1 3. Дайте визначення поняттям "мікроорганізм" і "клітка" і перерахуйте основні функції живих організмів
Клітина - елементарна відкрита біологічна система, здатна самооновлення, саморегуляції і самовоспроизведению.Состоит з ядра, цитоплазми, органел, рибосоми, рісосонов, мітохондрій, внутрішнього сітчастого апарату, центросом, трубочок і мікротелец.
Мікроорганізм - малі одноклітинні і багатоклітинні з
зовнішнім виглядом: куля, шестикутник,
спіраль і т.д. Мікроорганізми не мають
спеціальних органел для прийняття та
перетравлення їжі, ці процеси
здійснюються всієї клітиною або
деякими її частинами.
Мікроорганізм складається з цитоплазми і ядра - клітина - структурна і функціональна одиниця організму.
1 4. Основні показники якості природних вод
Під якістю води розуміють сукупність її особливостей.
Якість природних вод обумовлюється присутністю в ній неорганічних і органічних речовин, а також мікроорганізмів і характеризується різними фізичними, хімічними, бактеріологічними та біологічними показниками.
До фізичних показників відносять мутність, прозорість, колір, температуру, запах, смак і електропровідність.
Хімічними показниками якості води є сухий залишок або загально кількість розчинених речовин, просмажений залишок, рН води або активна реакція, лужності, окислюваність, вміст газів, присутність азотних сполук, хлоридів, сульфатів, заліза, марганцю, кальцію, магнію, деяких отруйних і радіоактивних речовин , хімічне поглинання кисню, біологічне поглинання, розчинений кисень.
Бактеріологічні, або санітарні показники характеризують загальне бактеріальне забруднення води, а також вміст бактерій групи кишкової палички.
Біологічні показники обумовлюються присутністю водних організмів, що знаходяться у завислому стані, в товщі води (планктон) або розміщуються біля дна водоймища, його берегів і на поверхні підводних предметів (бентос).
1 5. Що таке хлоропоглощеніе води і від яких параметрів води воно залежить?
Загальна кількість хлору, яке витрачається на взаємодію з окисляє домішки, визначає хлоропоглощаемость води. Вона залежить від властивостей домішок, що містяться в оброблюваній воді, часу контакту хлору з водою, температури води і кількості введеного хлору. При концентрації до 1 мг / л хлоропоглощаемость змінюється пропорційно часу контакту, при більш високих концентраціях виявляється логарифмічна залежність. Від температури води хлоропоглощаемость залежить незначно. Час контакту хлору з водою, необхідне для знезараження води, становить 30 хв. Кількість введеного хлору повинно бути таким, щоб після окислення домішок у воді залишився певний надлишок активного хлору - залишковий хлор. Наявність залишкового хлору у воді підвищує бактерицидний ефект знезараження. Визначення залишкового хлору у воді, не піддається попередньою освітленню, проводиться через кожні півгодини, а на установках з попереднім освітленням - через кожну годину.
Хлоропоглощаемость води визначається співвідношенням дії багатьох факторів і не є постійною. Тому вона, як і оптимальна доза хлору, визначається експериментально за допомогою графіків, що характеризують залежність кількості залишкового хлору від дози хлору.
Завдання № 1.
Розрахувати кисло-водородістий потенціал розчину, який містить 0,5 мг / л Cl 2, якщо при хлоруванні введено 10мг / л хлору (Е Cl 2 / Cl = 1,36 В).
Рішення:
φ Cl 2 / 2 Cl -3 φ 0 Cl 2 / 2 Cl - + 0,059 ℓ g 0,14 = 1,36 + 0,059 ℓ g 0,14 = 1,36
Μ Cl 2 = 35,5 ∙ 2 = 71 г / моль
1ммоль - 71мг
x - 10мг
х = С Cl - = 10 = 0,14 М
ℓ g 0,14 = ℓ g 1,4 ∙ 10 -1 = -1 + ℓ g 1,4 =- 1 +0,80 =- 0,2
φ Cl 2 / Cl - = 1,36-0,2 = 1,16 (В)