výtah z přednášek

Okruh 1-hydrochemie a biochemie
1. Fyzikální vlastnosti vody
Mr=18,02, 1mol H2O=18,02g, disociace vody: H2O = H+ + OH-
a) skupenství: v plynném stavu vodní pára (tvoří elektrický dipól,kovalentní vazba mezi H a O), v kapalném molekuly spojeny vodíkovými můstky (vodíková vazba -, kovalentní +), v tuhém led (vodíkové můstky,vytváření krystalické mřížky,tetraedr=šesterečná soustava,vodíkové vazby velice dlouhé prostorově neúsporné,nabývá na objemu)
b) teplota: vliv na fyz. vlastnosti (hustota,viskozita,povrch. napětí),rozpustnost látek,rovnovážné konstanty reakcí,floru a faunu, podzemní: nezávislá na klimatu, v 10m 9,5°C , geotermický stupeň vzrůstá o 1°C na 33m,pitná 8-12°C,nad 25°C termální,nad 42°C hypertermální, povrchová: závislá na klimatu
c) hustota ρ=m/V (největší u dna) roste se zvýšením teploty a pak klesá (max v 3,98°C=1)
d) absorpce světla: sluneční záření λ=300-3000 nm,viditelné 400-800, v atmosféře se část pohltí a část dopadne na hladinu, ve vodě nejvíc v červené části VIS→modrá až modrozelená barva, absorbované záření=absorbance,neabsorbované=propustnost
e) barva: skutečná x zdánlivá (odraz lesů),přirozené zbarvení→žlutohnědě huminové látky,vyjádření v mg/l Pt, význam:průnik záření do vody (čím barevnější, tím projde míň světla)
f) průhlednost a zákal: p-v čisté vodě 15-20m,v autotrofních jezerech dm-5m, z-hodnocení srovnáváme s koloidním roztokem formazinu, 1 ZF = 1mg/l SiO2
2. Rovnováhy chemických reakcí
-prvky a sloučeniny reagují za vzniku jiných sloučenin
-Guldberg-Waageův zákon: vratná reakce je v rovnováze AB-vstup,DG-výstup,abde-moly,
aA+bB = dD+gG, např. NaOH+HCl →NaCl+H2O, c(D)d*c(G)g/c(A)a*c(B)b=K rovnovážná konstanta, vápenato uhličitanová rovnováha: CaC03+H2O+CO2 ↔ Ca(HCO3)2
-aktivita látky: a (I)=c (I)*f, f-aktivní koeficient: c→0 f→1,0
a) srážecí rov: při smísení roztoků obsahujících kationty a anionty dochází k jejich vysrážení
BmAn=mBn+ + nAm-
b) oxidačně redukční rov: dvě reakce 1.oxidace-látka uvolňuje elektrony,2.redukce-látka přijímá elektrony, oxidovaná látka+elektrony=redukovaná látka
3.Acidobazické rovnováhy, pH
a) acidobazické rov- disociace vody→ H2O=H++OH-, c(H+)*c(OH-)=Kv*c(H2O)=Kv –iontový součin vody (Kv=10-14),závisí na teplotě,v čisté vodě c(H+)=c(OH-)=10-7 mol/l a hodnota pH=7
b) pH: záporný logaritmus látk. koncentrace vodíkových iontů, pH=-log c(H+), z distribučního diagramu (závislost koncentrace forem CO2 na hodnotě pH) vyplívá, pH=4,5 a menší při volném CO2, pH=4,5-8,3 existují vedle sebe CO2 a HCO3, pH>8,3 existuje rovnováha HCO3 a CO3, pH>10 nezanedbatelné koncentrace OH
-přídavkem NaOH k vodě o pH>4,5 probíhá reakce: CO2 + OH = HCO3 → c(CO2)=ZNK8,3
-přídavkem HCl k vodě o pH4,5 reakce: HCO3 + H+ = H2CO3 = H2O + CO2 → c(HCO3)=KNK4,5 [mmol/l]
-ZNK(zásadová kapalina-fenolftalein), KNK (kyselinová kapalina-methyloranž)
-přípustné limity: pitná 6,5-9,5, povrchová 6,0-8,5, podzemní 5,5-7,5, atmosférická 5-6, destilka 7
4. Rozdělení látek obsažených ve vodách
-dle složení: organické (obsahují 4-vazný uhlík) x anorganické (všechny ostatní)
a) velikosti dispergovaných částic: rozpuštěné(1μm), rozpuštěné: elektrolyty (disociované, NaCl→Na++Cl-) x neelektrolyty (nedisociované, H2SiO3), nejsou viditelné v elektronovém mikroskopu, koloidní: jsou viditelné v optickém mikroskopu, dělíme je: 1.hydrofobní(bez afinity k vodě,s disperz. prostředím tvoří dvě fáze se zřetelným rozhraním,jílové částice,bakterie), 2.hydrofilní(mají afinitu k vodě,s disperz. prostředím tvoří jednu fázi bez rozhraní, bílkoviny,polysacharidy), suspendované látky: usaditelné (>50 μm) x neusaditelné, hrubá disperze: suspenze (kap+pevná látka), emulze (kap+kap), pěny (kap+plyn)
b) původu: přírodní (vyluhované z nekontaminované půdy a hornin,zbytky organizmů) x syntetické (v přírodě neovlivněné činností člověka se nevyskytující, uhlovodíky ze spalovacích motorů,bifenyly)
c) koncentrace: makrokomponenty (nad 10mg/l), mikrokomponenty (1-10 mg/l), stopové látky (pod 1 mg/l), 2 druhy: hmotnostní koncentrace (g/l) a látková koncentrace (mol/l)
5. Anorganické látky ve vodách, podmínka elektroneutrality, makrokomponenty
a) rozpuštěné disociované soli, kationty: Na+,K+,Ca2+,Mg2+, anionty: HCO3-,SO42-,Cl-,NO3-
b) nedisociované anorganické sloučeniny- křemičitany, minerálka obsahuje > 1000mg/l
-podmínka elektroneutrality: ∑n*c(Kin+) = ∑m*c(Ajm-), Ki-kationt o velikosti náboje n, Aj-aniont o velikosti náboje m
př.: c (Na+) +c (K+) +2c (Ca2+) +2c (Mg2+) = c (HCO3-) +c (Cl-) +2c (SO4-) +c (NO3-)
-makrokomponenty: soli-iontová síla (ovlivňuje tlak okolní vody),chuťové vlastnosti (tvrdost,železo, mangan), korozivní účinek (na beton SO42-,na železo Cl-),hygienické vlastnosti pitné vody (onemocnění kojenců,karcinogenní,NO3-),tlumivé prostředí (změna pH,HCO3-),koloběh látek

6. Dusík a fosfor ve vodách
-makrobiogenní prvky, jejich přítomnost podmiňuje jev zvaný eutrofizace →k té dochází za příznivých teplotních a světelných podmínek, fotolitotrofní organizmy – řasy a sinice jsou schopny syntetizovat svoji buněčnou hmotu, další potřebné látky (C,O,H) získávají z anorganických látek
-limitujícím faktorem je N a P, jejichž zdrojem jsou odpadní vody, vznikají mikrobiálním rozkladem, kvalita povrchové vody znehodnocena, silně zapáchají a jsou toxické
-dusík = vázaný v organických sloučeninách,CO2, HCO3-, (CO32-),odstranění: nitrifikace,denitrifikace
-fosfor = vázán v organických sloučeninách,polyfosforečnanech,fosforečnanech, odstranění: P na stavbu buněk,zejména ATP, anaerobní fáze, aerobní fáze
7. Stanovení veškerých látek a ztráty žíháním
-výběr vhodné metody: koncentrace a typ organického znečištění, účel
a) hodnocení ze ztráty žíháním: nejjednodušší, pec,sušárna,porcelánové kelímky,membrány
postup:odměřím vodu do zváženého kelímku,vložím do sušárny (105°C),znovu zvážím kelímek, rozdíl hodnot=odparek, 1.veškeré látky,odparek,sušina (kal) → žíhání (550°C) → 2a. ztráta žíháním (org. látky) x 2b. zbytek po žíhání (anorg. látky)
-obsažené látky lze stanovit odpařením a zvážením vysušeného odparku, rozlišení rozpuštěných a nerozpuštěných látek se provádí filtrací vzorku přes membránový filtr, nerozpuštěné látky zachycené na filtru se vysuší při 105°C a zváží se, rozpuštěné látky projdou, hrubé rozlišení látek v odparku získáme žíháním při 550°C
-chyby stanovení: únik těkavých látek,rozklad anorg. látek,odpaření krystalové vody
-použití: OV s vysokou koncentrací organického znečištění (čistírenské kaly)
b) hodnocení z uhlíku vázaného v org. sloučeninách: v přírodní org. hmotě(biomasa) obsah uhlíku 45-50%, technicky náročnější ale přesnější,
-postup: okyselení (odstranění C-anorg. →vybublá CO2)→oxidace (spálení vzorku v proudu kyslíku při teplotě kolem 1000°C a stanovení CO2 vzniklého tímto spálením) →detekce (IR fotometrie)
c) hodnocení z množství kyslíku potřebného k oxidaci org. látek: teoretická spotřeba kyslíku TSK [g/g]=množství kyslíku potřebné k úplné oxidaci org. látky,chemická a biochemická spotřeba kyslíku
8. Teoretická spotřeba kyslíku
-je množství kyslíku potřebné k úplné oxidaci organické látky, TSK = g/g
-TSK=(4a+b-2d)*8/Mr = 16x/Mr [g O2 na 1g org. látky], CaHbOd + xO = aCO2+b/2 H2O
-hodnota TSK závisí na složení látky a na základě znalosti jejího množství
-použití: chemické sloučeniny definovaného složení
9. Chemická spotřeba kyslíku
-provádí se oxidace látek obsažených ve vzorku vody působením oxidujících sloučenin (manganistan draselný KMnO4 (jednodušší,titrace), dichroman draselný K2Cr2O7 (měření fotometrem)),reakce probíhají v prostředí zředěné kyseliny sírové za teploty bodu varu roztoku
-oxidace: Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 2Cr3+ + 7H2O, MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4 H2O
-CHSK se stanoví ze spotřeby oxidující látky: O + H2O + 2e- → 2 OH-
-přepočet na O: 1mol KMnO4 - 2,5 mol O, 1 mol K2Cr2O7 - 3 moly O
-výhody: Mn-nízký detekční limit, Cr-silné oxidační činidlo
-použití: Mn-pitná voda,podzemní vody, Cr-odpadní vody,povrchové vody
-dochází k oxidaci org. i anorg. látek, je třeba anorg.oxidovatelné látky eliminovat
10. Biochemická spotřeba kyslíku
-rozklad org. látek mikrobiální činností provázený spotřebou kyslíku
-oxidaci org. látek lze uskutečnit činností aerobních bakterií→oxidují molekulárním kyslíkem, spotřeba kyslíku je mírou obsahu organických,biolog. rozložitelných i některých anorg. látek
-spočívá ve vyhodnocení úbytku rozpuštěného kyslíku ve vzorku za 5 dní při 20°C
-inkubace se provádí v lahvích zcela naplněných naředěnou zkoušenou vodou za nepřístupu vzduchu a ve tmě, pro zabránění mikrobiální oxidace se přidává inhibitor (allylthiomočovina)
-BSKt = BSKc*(1-10-k*t), BSKt-spotřeba O2 v čase t,BSKc-celková spotřeba, k-kinetická konstanta
-používá se při hodnocení povrchových a odpadních vod
-TSK>CHSKCr>CHSKMn>BSK5, u BSK není rozložena biologicky rozložitelná org. hmota
11. Plyny rozpuštěné ve vodách
-zdroje: atmosférický (O2,N2,CO2), biochemický (N2,CO2,CH4,H2,H2S-životní procesy organizmů), vulkanický hlubinný (CO2,H2S), radiochemický (Rn), hygienické zabezpečení vody (Cl2,O3)
-voda se ve styku s plynem sytí složkami, které plyn obsahuje
-rozpustnost ve vodě je ovlivněna: parciálním tlakem, teplotou (rozpustnost plynů se s rostoucí teplotou snižuje), složením vody (s rostoucí koncentrací solí se rozpustnost plynů ve vodě zvyšuje), složením plynu (rozpustnost odlišná,nejvíc chlor,oxid uhličitý,kyslík,dusík)
-mimořádný význam má rozpuštěný molekulární kyslík,který je rozhodujícím faktorem biologických procesů a má význam v procesech koroze materiálů
-kyslík: z ovzduší, při fotosyntetické asimilaci rostlin, spotřeba: aerobní rozklad org. látek,respirace (dýchání ryb),oxidace anorg. látek, koncentrace: přítomnost rozpuštěného O2-oxické, nepřítomnost O2 a přítomnost NO3,NO2-anoxické, nepřítomnost O2,NO3 a NO2-anaerobní podmínky, význam: ryby (min koncentrace O2 3-4mg/l), koroze kov. materiálů, s rostoucí teplotou roste potřebná koncentrace
-složení vzduchu: 78% N2, 21% O2, Ar, CO2, ostatní plyny, ve vodě je kyslík více rozpustný než dusík, vzduch rozpuštěný ve vodě obsahuje více kyslíku než vzduch atmosférický
-Henryho zákon: c=k*p c-koncentrace plynu,k-konstanta,p-parciální tlak plynu
12. Charakteristika přírodních vod srážkových, podzemních a povrchových
-kvalita vody se posuzuje podle účelu,ke kterému je použita a podle fce,kterou plní
a) srážková: při průchodu atmosférou se obohacuje látkami, CO2-agresivní účinek na horninové prostředí, spalováním fosilních paliv SiO2, ze spalovacích motorů NOx→kyselé deště
b) podzemní: kvalita je výsledkem geochem. procesů probíhajících v dlouhém časovém horizontu, nízké koncentrace org. látek, větší množství anorg. solí, org. látky v povrchových vodách jsou při průchodu půdním prostředím mineralizovány, jsou bezkyslíkaté se zvýšenými koncentracemi volné kyseliny uhličité,železa a manganu, nepřítomnost: organizmů,sloučenin N a P, důlní vody→vysoké obsahy SO42-, pokud obsah rozpuštěných anorg. látek překročí 1000 mg/l→minerální vody
c) povrchová: obsahují-anorg. látky,rozpuštěný kyslík,organismy,zvýšená koncentrace org.látek, legislativou je stanovena koncentrace látek,která by neměla být překročena (imisní limit), ovlivněny bodovými zdroji znečištění (výustě,OV) a látkami z odvodňovaného území (eroze,splachy půdy)
13. Anorganické a organické mikrokomponenty
a) anorganické: těžké kovy, ρ>5 g/cm3, mikrobiogenní účinky (Zn,Fe,Cu), toxické, limity v pitné vodě desetiny až stovky μg/l, Hg,Cd,As,Pb, Ag,Se,Zn,Cu, (vyjma kovů alkalických a alk. zemin)
obsah rozpuštěných anorg. sloučenin se pohybuje mezi složením (koncentrací) povrchových (200-300), podzemních(300-500) a srážkových(1-10) vod
-obsah solí není limitující pro život vodních organizmů, nadměrné zasolování je nežádoucí
-pro živé organizmy je důležitá koncentrace vodíkových iontů (pH), u povrchových pH=6-8,
významná je i velikost změny pH po přídavku kyseliny nebo zásady
b) organické: 1.nepolární extrahovatelné látky- polární (tuky, ve splaškových a průmyslových vodách) a nepolární (uhlovodíky pocházející z ropy,pohonné hmoty,minerální oleje), malá rozpustnost ve vodě,ale dobrá v org. rozpouštědlech, 2.polycyklické aromatické uhlovodíky-produkty spalování,karcinogenní,limit v pitné vodě v ng/l, 3.fenoly-toxické,biologicky rozložitelné, +Cl2=chlorfenoly, 4.chlorované org. sloučeniny-netěkavé (pesticidy,polychlor.bifenyly) x těkavé (trichloreten CCl2=CHCl,tetrachloreten CCl2=CCl2,chloroform CHCl3,obecně trihalogenmetany),benzenové jádro, 5.tenzidy-povrchově aktivní látky (součást saponátů),biolog. rozložitelné, aniontové-hlavní součást,neiontové-pomocné činidlo
14. Radiologické vlastnosti vod
-v povrchových vodách je limitován obsah radioaktivních látek-ty vysílají záření: alfa-proud jader helia, beta-proud elektronů, gama-alektromagnetické, záření se měří v Bq/l (Bequerel)=počet rozpadů za sekundu v objemové jednotce, 1Bq = 1 rozpad za sekundu
-v přírodních i pitných vodách je limitována celková objemová aktivita alfa i beta, z radioaktivních prvků jsou v povrchových vodách limitovány objemové aktivity radia a tritia
-radium: nachází se v podzemních vodách z radioaktivních podloží
-tritium: je vodík obsahující 1 proton a 2 neutrony v jádře, obsažen v chladících vodách elektráren
15. Požadavky na kvalitu pitné vody
-pitná voda musí splňovat hygienická kritéria Vyhlášky 252/2004 Sb.
-pojmy: mezní hodnota = horní hranice přípustné koncentrace,překročení nepředstavuje akutní zdravotní riziko, nejvyšší mezní hodnota = její překročení vylučuje použití vody k pitným účelům
-ukazatele: mikrobiologické (výskyt mezofilní