BC03-Chemie a technologie vody M01-Chemie přírodních a pitných vod

e hodnota pH, definovaná jako záporný
logaritmus látkové koncentrace vodíkových iont. Rovnovážnou konstantou
rovnice disociace vody je tzv. iontovĂ˝ souin vody. P
i smĂ­senĂ­ roztok obsa-
hujících vtší koncentrace H+ a OH- než je iontový souin vody dochází proto
k jejich slouení na nedisociované molekuly vody. Rovnovážnou konstantou
rozpouštcích rovnovah je souin rozpustnosti p
íslušných slouenin. P
i jeho
p
ekroení dochází k vysrážení tchto slouenin z roztoku. O smru prbhu
oxidan-redukních reakcí rozhoduje afinita zúastnných látek k elektronm,
kterou lze kvantitativn hodnotit podle oxidan-redukního potenciálu.

SloĹľenĂ­ vod
- 13 (42) -

4 SloĹľenĂ­ vod
Voda, se kterou se prakticky setkáváme jako s vodou p
Ă­rodnĂ­, pitnou nebo
odpadní, není chemické individuum, nebo obsahuje urité množství cizoro-
dých látek. íkáme, že tvo
í disperzní systém. Tyto látky lze rozdlit podle
rzných kritérií. Existují rovnž analytické metody, umožující spolené sta-
novení uritých skupin látek.
4.1 Látky obsažené ve vodách
Podle velikosti dispergovaných ástic se rozlišují jednotlivé typy disperzí
(Tab.4.1):

Tab.4.1: Typy disperzí podle velikosti dispergovaných ástic
Název disperze Velikost ástic ástice
analytická (pravé roztoky) 0,1 až 1 nm rozpuštné
koloidnĂ­ 1 nm aĹľ 1 mm koloidnĂ­
hrubá > 1 mm hrub dispergované

P
echod mezi jednotlivými skupinami je plynulý. ástice rozpuštné na rozdíl
od koloidních nejsou viditelné v elektronovém mikroskopu. Hrub dispergova-
né ástice jsou viditelné i v optickém mikroskopu a lze je oddlit filtrací.
U koloidních disperzí se rozlišují:
1. Hydrofobní koloidní disperze, zvaná také koloidní sol (ve vodném prost
e-
dí hydrosol): dispergované ástice nemají afinitu (p
itaĹľlivost) k vod
(jsou hydrofobnĂ­) a s disperznĂ­m prost
edĂ­m tvo
í dv rozdílné fáze se z
e-
telným rozhraním. Systém je heterogenní. Stabilita této disperze je podmí-
nna elektrickými náboji ástic na jejich povrchu, které tvo
Ă­ tzv. elektric-
kou dvojvrstvu. Pat
Ă­ mezi n hydroxidy kov, jĂ­ly aj.
2. Hydrofilní koloidní disperze: dispergované ástice mají afinitu k moleku-
lám vody, což je dáno jejich polaritou - elektrickým nábojem, p
Ă­p. dipĂł-
lem, který ástice nesou, stejn jako molekuly vody. S disperzním prost
e-
dĂ­m tvo
í jednu fázi bez znatelného rozhraní, systém je homogenní. Dis-
pergovanými ásticemi hydrofilních koloidních disperzí jsou:
a. makromolekulární sloueniny, nap
. bílkoviny, organické floku-
lanty, polysacharidy aj,
b. agregáty koloidních rozmr (micely), vznikající zakoncentro-
váním z
edných roztok.
Afinita koloidních ástic v hydrofilních disperzích k molekulám vody je
dána p
ítomností hydrofilních skupin v molekule tchto ástic. Takovými
jsou nap
. skupiny -COOH, -SO3H, které disociují, p
i emĹľ uvolujĂ­ H+ a
samy (resp. ástice na nž jsou vázány) se nabíjejí záporným nábojem, ne-
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 14 (42) -

bo skupiny -OH, -NH2, p
íp. -NH3OH, které disociací uvolují ionty OH- a
ástice je obsahující se nabíjejí kladn. Elektricky nabité hydrofilní ástice
na sebe váží molekuly vody, které jsou polární a tvo
Ă­ na jejich povrchu
solvátový obal, podmiující jejich stabilitu. Spolu s tímto solvátovým oba-
lem tvo
í hydrofilní koloidy elektricky neutrální ástice. Obal je chrání
p
ed koagulací, která nastává až po jeho rozrušení.
Ke hrubým disperzím pat
Ă­ suspenze, emulze a pny, podle toho, zda dispergo-
vanou ásticí je látka tuhá, kapalná nebo plynná.

Podle pvodu dlíme látky obsažené ve vodách na:
1. p
irozené - jsou to látky vyluhované z nekontaminované pdy a hornin,
zbytky organizm a produkty jejich rozkladu i produkty látkového metabo-
lizmu,
2. umlé (syntetické), v p
írod neovlivnné inností lovka se nevyskytující
(pesticidy, tenzidy aj.).

Podle koncentrace lze rozdlit látky ve vod na makrokomponenty (nad 10
mg.l-1), mikrokomponenty (1 až 10 mg.l-1) a stopové látky (pod 1 mg.l-1).
Koncentrace látek ve vodách se vyjad
uje
• v hmotnostních koncentracích cm, (jednotky g.l-1, mg.l-1, mg.l-1 nebo ng.l-1,
podle toho o jaké koncentrace se jedná);
• v látkových koncentracích c (jednotky mol.l-1, mmol.l-1, mol.l-1, …).

Podle chemického složení se dlí látky na:
1. Organické - mají v molekule atomy uhlíku, které jsou schopny
etzit se a
vytvá
et složité makromolekuly. Z uhlíkatých slouenin ne
adĂ­me k orga-
nickým látkám vzhledem k jejich charakteru oxid uhliitý a sloueniny od
nho odvozené (uhliitany, hydrogenuhliitany) a nkteré další sloueniny.
Organické látky v p
írodních, lidskou inností nekontaminovaných vodách,
jsou tvo
eny živými organizmy žijícími v tomto prost
edĂ­, zbytky jejich
odum
elých tl a produkty jejich metabolizmu, a to ve form rozpuštné,
koloidní i nerozpuštné.
2. Anorganické (minerální) - všechny ostatní sloueniny, rozmanitého slože-
ní, vyskytující se za normálních podmínek v rzných skupenstvích.
Celkovou mineralizacĂ­ se rozumĂ­ souet hmotnostnĂ­ch koncentracĂ­ anor-
ganických látek s výjimkou rozpuštných plyn (CO2, N2,O2). Jsou tvo
e-
ny elektrolyty, disociovanými na kationty a anionty, a neelektrolyty. K ne-
elektrolytm pat
í málo disociované anorganické soli, p
edevším k
emii-
tany.
SloĹľenĂ­ vod
- 15 (42) -

4.2 Skupinová stanovení
4.2.1 Gravimetrické metody
Veškeré látky obsažené ve vod lze stanovit jejím odpa
ením a zvážením vysu-
šeného odparku (p
i 105 oC). P
i tomto stanovení nejsou ve výsledku zahrnuty
plyny a další tkavé látky, které p
i odpa
ování uniknou. Odpa
ením dochází
také k rozkladu hydrogenuhliitan (vápenatého a ho
enatého) provázenému
úbytkem hmotnosti. Naopak nkteré soli ztrácejí krystalovou vodu až p
i vyš-
ších teplotách a tato voda tedy zstává souástí odparku.
Rozlišení rozpuštných a nerozpuštných látek se provádí filtrací vzorku, ob-
vykle p
es membránový filtr s velikostí pór kolem 1 mm. Nerozpuštné látky
zachycené na filtru se vysuší p
i teplot 105 °C a zváží. Látky, které filtrem
projdou (rozdíl veškerých a nerozpuštných látek), se nazývají rozpuštné, i
když obsahují také látky koloidní.
Hrubé rozlišení látek v odparku, který se p
i rozboru kal nazývá sušinou, lze
provést jeho žíháním p
i 550 oC. P
i této teplot jsou organické látky spáleny a
unikají ve form plyn (CO2, H2O). Ztráta hmotnosti žíháním odparku odpoví-
dá tedy obsahu organických látek, kdežto anorganické sloueniny zstanou
nezmnny jako zbytek po žíhání. Hodnocení obsahu organických látek ze
zbytku po žíhání je zatíženo pomrn velkou chybou, danou úbytkem hmot-
nosti odparku ztrátou vody vázané v anorganických sloueninách, p
íp. áste-
ným rozkladem nkterých anorganických slouenin. Je proto spolehlivé u od-
padních vod s vysokou koncentrací organického zneištní a zejména u istí-
renských kal, nikoliv však u vod s nízkým obsahem organických látek.
4.2.2 Stanovení organických látek z množství kyslíku poteb-
ného k oxidaci
Teoretická spot
eba kyslĂ­ku
Teoretická spot
eba kyslĂ­ku TSK [g.g-1] je mnoĹľstvĂ­ kyslĂ­ku pot
ebné k úplné
oxidaci organické látky, obecného složení CaHbOd (další prvky – N,P,S jsou
pro jednoduchost zanedbány), která probíhá podle rovnice:
CaHbOd + x O = a CO2 + b2 H2O [4.1]
Z rovnice [4.1] vyplývá, že na oxidaci 1 molu organické sloueniny je t
eba x
= 2 a + b/2 - d mol atom kyslíku. Na oxidaci 1 g této sloueniny o relativní
molekulové hmotnosti Mr je t
eba TSK gram kyslĂ­ku (1 mol O ~ 16 gram):
TSK a b dM
r
= + -( ).4 2 8 [g O2 na 1 g látky] [4.2]
Z rovnice [4.2] vyplývá, že hodnota TSK závisí na složení látky a jedin na
základ znalosti jejího množství a složení lze vypoítat TSK.
Chemická spot
eba kyslĂ­ku
P
i stanovení chemické spot
eby kyslíku (CHSK) vzorku vody se provádí oxi-
dace látek v ní obsažených psobením oxidujících slouenin – manganistanu
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 16 (42) -

draselného (KMnO4) nebo dichromanu draselného (K2Cr2O7). Reakce probíhají
v prost
edĂ­ z
edné kyseliny sírové za teploty bodu varu roztoku a dalších
standardních podmínek. Oxidaní úinek uvedených látek lze vyjád
it takto:
Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- fi 2 Cr3+ + 7 H2O [4.3]
MnO4- + 8 H+ + 5 e- fi Mn2+ + 4 H2O [4.4]
CHSK se stanovĂ­ ze spot
eby oxidující látky, ale vyjad
uje se v ekvivalentech
odpovídajících oxidaci kyslíkem, která probíhá podle rovnice:
O + H2O + 2 e- fi 2 OH- [4.5]
Výsledek stanovení CHSK obma uvedenými metodami je zpravidla odlišný, a
proto je nutné uvádt, jaká metoda byla použita – CHSKCr a CHSKMn.
Hodnoty CHSKCr bývají vyšší než CHSKMn, nebo K2Cr2O7 je v podmínkách
stanovení silnjším oxidovadlem než KMnO4. Hodnota CHSKCr se asto blíží
hodnot TSK. CHSKCr se používá pro stanovení všech druh vod, vetn od-
padních, kdežto CHSKMn je používáno jen p
i analýze vod p
Ă­rodnĂ­ch a pit-
ných.
P
i stanovení CHSK dochází nejen k oxidaci organických látek, ale i nkterých
látek anorganických (Fe2+, NO2- aj.), jejichž p
ítomnost zkresluje výpovdní
hodnotu CHSK jako míru obsahu organických slouenin. Proto je t
eba anor-
ganické oxidovatelné látky eliminovat.
Biochemická spot
eba kyslĂ­ku
Oxidaci organických látek lze uskutenit i inností aerobních bakterií, které
oxidují organické látky molekulárním (vzdušným) kyslíkem. Spot
eba kyslĂ­ku
ve vzorku za standardních podmínek je mírou obsahu organických, biologicky
rozložitelných látek a ásten i nkterých anorganických slouenin a nazývá
se biochemická spot
eba kyslíku – BSK.
StanovenĂ­ BSK5 je uzannĂ­ metodou, spoĂ­vajĂ­cĂ­ ve vyhodnocenĂ­ Ăşbytku roz-
puštného kyslíku ve vzorku za 5 dn p
i teplot 20 oC. Vzorek se dle pot
eby

edĂ­ tzv. z
e
ovací vodou, což je destilovaná voda s p
Ă­davkem solĂ­ a Ĺľivin,
nasycená vzduchem. Inkubace se provádí v lahvích zcela naplnných na
ed-
nou zkoušenou vodou za nep
Ă­stupu vzduchu (bakterie majĂ­ k dispozici jen O2
obsažený ve vod) a ve tm, aby se zabránilo nežádoucímu rozvoji
as. Pro
zabránní mikrobiální oxidace amoniaku se p
idává vhodný inhibitor tohoto
procesu, obvykle allylthiomoovina.
BSK5 se používá p
i hodnocení kvality povrchových a odpadních vod. Bakte-
rie, které biochemický dj podmiují, jsou v tchto vodách p
Ă­tomny. Jen p
i
analýze nkterých prmyslových odpadních vod je t
eba provést naokování,
obvykle aktivovaným kalem.
P
i porovnání výsledk stanovení organického zneistní ve vodách se obvykle
zjišují vztahy:
TSK ‡ CHSKCr > CHSKMn > BSK5. Hodnota BSK5 bývá nižší než CHSK ne-
bo a) p
i stanovení BSK5 není rozložena veškerá biologicky rozložitelná orga-
nická hmota, b) nkteré organické sloueniny jsou vi biochemickému roz-
kladu rezistentní, ale jsou oxidovány v podmínkách stanovení CHSK. V proce-
sech ištní vody, probíhajících v p
írod i v istírnách odpadních vod se zvy-
SloĹľenĂ­ vod
- 17 (42) -

šuje pomr CHSK / BSK5 , nebo biologicky rozložitelná organická hmota je
destruována, kdežto organická hmota vi biologickému rozkladu resistentní,
podílející se však na hodnot CHSK, zstává zachována.
4.2.3 Stanovení obsahu uhlíku vázaného v organických sloue-
ninách
V p
írodní organické hmot, nap
. v bakteriální biomase, je obsah uhlíku p
i-
bližn 45 až 50 %. V jednotlivých organických sloueninách je však obsah C
dosti promnlivĂ˝.
Metoda stanovení organické hmoty z obsahu uhlíku je technicky náronjší než
p
edchozí metody. Spoívá ve spálení vzorku v proudu kyslíku p
i teplot ko-
lem 1000 oC za katalytického psobení platiny a ve stanovení CO2 vzniklého
tímto spálením.
4.3 Plyny
Voda ve styku s plynem, nap
. se vzduchem, se sytí složkami, které plyn obsa-
huje. Rozpustnost plynu ve vod je ovlivována
1. Parciálním tlakem plynu.
Rozpustnost plynu v kapalin je dle Henryho zákona závislá na parciálním
tlaku tohoto plynu nad kapalinou:
c = k . p [4.6]
kde c je koncentrace plynu ve vod po dosažení rovnováhy - nasycení
[mg.l-1], p je parciální tlak plynu [kPa], k je konstanta.
2. Teplotou - rozpustnost plyn se s rostoucĂ­ teplotou sniĹľuje.
3. SloĹľenĂ­m vody - nap
. s rostoucĂ­ koncentracĂ­ solĂ­ se rozpustnost plyn ve
vod ponkud zvyšuje.
4. SloĹľenĂ­m plynu.
Rozpustnost jednotlivých plyn je znan odlišná, jak vyplývá z nkolika
následujících p
Ă­klad.

Tab.4.2: Rozpustnost plyn pi teplot
20 oC a tlaku 100 kPa.
plyn: rozpustnost ve vod [mg.l-1]
kyslĂ­k 43,7
dusĂ­k 19,0
oxid uhliitĂ˝ 1707
chlor 7280

Mimo
ádný význam v chemii a biologii vody má rozpuštný molekulární kys-
lík, který je rozhodujícím faktorem biologických proces probíhajících v tomto
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 18 (42) -

prost
edí a má také zásadní význam v procesech koroze materiál. Do vody
p
echází z vtší ásti ze vzduchu, jehož složení v objemových procentech je
následující: 78,09 % N2, 20,94 % O2, 0,93 % Ar, 0,03 % CO2 a 0,01 % ostat-
ních plyn. Ve vod je kyslík více rozpustný než dusík (viz výše uvedená ta-
bulka), a proto vzduch rozpuštný ve vod obsahuje více kyslíku než vzduch
atmosférický, což má význam pro biosféru vodního prost
edĂ­.
4.4 Autotest
1. Co je to celková mineralizace?
a) souet hmotnostních koncentrací anorganických látek a rozpuštných
plyn
b) souet hmotnostních koncentrací anorganických látek a organických lá-
tek
c) souet hmotnostních koncentrací organických látek s výjimkou rozpuš-
tných plyn
d) souet hmotnostních koncentrací anorganických látek s výjimkou roz-
puštných plyn
2. Která oxidaní inidla se používají pi stanovení CHSK?
a) K2Cr2O7 a H2O2
b) K2Cr2O7 a KIO4
c) K2Cr2O7 a KMnO4
d) KMnO4 a H2O2
4.5 ShrnutĂ­
P
írodní, pitné a odpadní vody tvo
í disperzní systém Látky obsažené ve vod
lze rozdlit podle rzných kritérií, nap
. podle velikosti dispergovaných ástic,
podle koncentrace jednotlivých látek, podle jejich pvodu a podle chemického
složení. Gravimetricky lze stanovit obsah veškerých látek obsažených ve vod,
odlišit látky rozpuštné od látek nerozpuštných a látky organické od látek
anorganických. Zvláštní význam mají skupinová stanovení organických látek
ve vodách. To lze provést vedle výše uvedené gravimetrické metody také sta-
novenĂ­m mnoĹľstvĂ­ kyslĂ­ku pot
ebného k jejich oxidaci, a to výpotem (TSK),
chemicky (CHSK) nebo biochemicky (BSK). Používá se rovnž stanovení or-
ganicky vázaného uhlíku. Rozpustnost plyn je vod je ovlivnna
adou fakto-
r a
ídí se Henryho zákonem. Z plyn rozpuštných ve vod má nejvtší vý-
znam kyslĂ­k.

Biochemické procesy ve vodách
- 19 (42) -

5 Biochemické procesy ve vodách
V p
írod probíhají procesy podmínné inností organizm, projevující se
p
emnou látek, která však nemá jednosmrný prbh, ale vrací se k pvodní-
mu stavu, a proto se nazývá kolobhem látek. Rozkladné produkty jednch
organizm jsou využívány jako substrát jinými organizmy. Rozlišujeme proce-
sy rozkladné (disimilaní), jimiž získávají organizmy energii, a procesy asimi-
laní, kterými je syntetizována organická hmota jejich bunných tl. Kolobh
látek je dležitý pro zachování života na Zemi. V p
Ă­rod zasahuje i do vodnĂ­ho
prost
edí, v nmž vedle proces geochemických výrazn ovlivuje kvalitu p
Ă­-
rodnĂ­ch vod. Mimo
ádný význam má kolobh uhlíku a dusíku, a to pro vý-
znamné postavení tchto prvk ve struktu
e organických látek.
Organizmy pot
ebují pro syntézu biomasy, tj. pro svj rst:
• Energii k této syntéze nezbytnou. Energii pot
ebují i ke svému pohybu.
Primárním zdrojem energie jsou bu
chemické reakce nebo slunení
zá
ení. Podle toho, kterou energii organizmy využívají, se rozlišují or-
ganizmy chemotrofnĂ­ a fototrofnĂ­.
• Stavební jednotky (prvky), z nichž jsou vybudována jejich tla a které
nazýváme biogenní prvky. K makrobiogenní prvkm pat
Ă­ C, O, H, N a
P, které nechybí v žádné buce a které svým množstvím zpravidla p
e-
vaĹľujĂ­. Vedle nich pot
ebují v menším množství i další p,rvky zvané
mikrobiogennĂ­. Pat
Ă­ mezi n S, Na, K, Na, Ca, Mg, Fe, Zn a mnoho
dalších.
Organizmy získávají uhlík bu
z organických slouenin, a pak se nazý-
vají organotrofní nebo jej získávají z oxidu uhliitého, resp. uhliitan a
nazývají se litotrofní. V Tab.5.1 je uvedeno rozlišení organizm podle
zdroje Ĺľivin a energie.

Tab.5.1: Rozlišení organizm podle zdroje živin a energie
Zdroj energie Zdroj uhlíku pro syntézu biomasy Název organizmu
chemická reakce organická látka chemoorganotrofní
chemická reakce oxid uhliitý chemolitotrofní
zá
enĂ­ (slunenĂ­) oxid uhliitĂ˝ fotolitotrofnĂ­

Organizmy rozdlujeme podle základního metabolizmu, což je proces, jímž
získávají p
emnou látek energii, na aerobní a anaerobní. O aerobním a anae-
robnĂ­m prost
edí bylo pojednáno v kapitole 2.5. Aerobní organizmy získávají
energii oxidanĂ­mi procesy, p
iemž k oxidaci využívají molekulární kyslík,
kterĂ˝ je p
íjemcem elektron, uvolnných oxidací organických látek. K tmto
organizmm pat
í všichni vyšší živoichové a z nižších aerobní mikroorganiz-
my (aerobní bakterie). Nkteré bakterie žijící v aerobním prost
edĂ­ jsou schop-
ny p
i vyerpání kyslíku z prost
edĂ­ zmnit metabolizmus na anaerobnĂ­ - nazĂ˝-
vajĂ­ se bakterie fakultativn anaerobnĂ­. K tmto pat
Ă­ p
edevším bakterie
schopné využívat místo kyslíku k oxidaci organické hmoty dusinany a dusita-
Modul 1 – Chemie p
írodních a pitných vod
- 20 (42) -

ny. Jiné bakterie, nazývané striktn anaerobní, jsou schopny žít pouze v anae-
robnĂ­m prost
edĂ­, kdeĹľto kyslĂ­k na n psobĂ­ zpravidla toxicky. Pat
Ă­ mezi n
nap
. skupina desulfurikaních bakterií, která má schopnost oxidovat organické
látky psobením síran, které se p
i tom redukují na sulfidy. Jinými striktními
anaeroby jsou metanogenní bakterie, metabolizující jednoduché organické
sloueniny a sms H2 a CO2 na metan.














Obr.5.1: Kolob
h uhlĂ­ku

Zvláštní po