UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

FIZIKALNA I HEMIJSKA SVOJSTVA VODE

Seminarski rad

Predmet: Voda, gorivo, mazivo

Ime i prezime: Mehmedalija Bajrektarević

Broj indeksa: I-399/11

Odsjek: Energetsko mašinstvo

Tuzla, mart 2015.

1

Sadržaj:

1. Uvod.........................................................................................................................4

2. Hemijska i fizička svojstva vode...............................................................................5

2.1 Gustina vode.....................................................................................................5

2.2 Toplotna svojstva vode......................................................................................6

2.3 Uticaj toplotnih svojstava i gustine vode na održavanje akvatičnog života.......6

2.4 Napon pare vode...............................................................................................7

2.5 Površinski napon vode......................................................................................7

2.6 Optčka svojstva vode........................................................................................8

2.7 Električna svojstva vode....................................................................................8

3. Fizički pokazatelj kvaliteta voda...............................................................................9

3.1 Temperatura vode.............................................................................................9

3.2 Ukus i miris vode...............................................................................................9

3.3 Boja...................................................................................................................9

3.4 Ukupna količina čvrstih čestica.........................................................................9

3.5 Elektroprovodnost...........................................................................................10

4. Hemijski pokazatelji kvaliteta voda.........................................................................11

4.1 pH vrijednost vode...........................................................................................11

4.2 Tvrdoća vode...................................................................................................11

4.3 Alkalnost (baznost) vode.................................................................................12

4.4 Kiselost (aciditet) vode....................................................................................12

4.5 Biohemijska potrošnja kiseonika.....................................................................12

4.6 Hemijska potrošnja kiseonika..........................................................................12

4.7 Potrošnja kiseonika iz kalijum-permanganata.................................................12

4.8 Ukupni organski ugljenik..................................................................................13

5.Procesi u vodi..........................................................................................................14

5.1 Rastvaranje.....................................................................................................14

2

5.2 Adsorpcija i biakumulacija...............................................................................14

5.3 Isparavanje......................................................................................................14

5.4 Oksido-redukcioni procesi...............................................................................14

5.5 Hidroliza..........................................................................................................15

5.6 Fotohemijski procesi.......................................................................................15

6. Hemijski sastav prirodnih voda..............................................................................16

7. Obrada vode..........................................................................................................18

8. Zaključak................................................................................................................20

Literatura....................................................................................................................21

3

1. UVOD

Voda je hemijski spoj dva atoma vodika i jednog atoma kisika i jedan od osnovnih uvjeta života. Hemijska formula vode je H2O. Ima ledište na 0ºC (273K) i vrelište na 100ºC (373K). Također se javlja kao tekućina (između 0 C° i 100 °C).

Na Zemlji tvori oceane, rijeke, oblake i polarne kape. Voda pokriva 71% zemljine površine i nužna je za život kakav poznajemo. Ona je po težini najobilnija sastavnica stanica i organizama (75-85%), a veliki broj stanica ovisi o izvanstaničnoj okolini koja je također uglavnom vodena. Najveća gustoća vode je pri 4°C (anomalija vode).

4

2. HEMIJSKA I FIZIČKA SVOJSTVA VODE

U prirodi nema apsolutno čiste vode, već svaka prirodna voda predstavlja smešu hemijski čiste vode i niza primesa, čije vrste i koncentracija određuju kvalitet vode, a time i mogućnost direktnog korišćenja za određenu namenu.

Hemijski čista voda je supstanca koja, pod uslovom da se zanemari prisustvo minimalnih količina različitih izotopa u njoj, ima potpuno određen hemijski sastav i tačno definisana hemijska i fizička svojstava.

Hemijska formula vode, H2O, veoma je jednostavna, ali specifična struktura vode uslovljava jedinstvene karakteristike vode u prirodi i životu ljudi. Molekul vode je izgrađen od jednog atoma kiseonika, koji je sp³ hibridizovan i dva atoma vodonika, koji se vezuju za kiseonik preko njegovih sp³ hibridnih orbitala. Molekul vode je dipol.

Zahvaljujući ovakvoj strukturi i karakteristikama molekula vode, odnosno postojanju vodonične veze, u tečnom i čvrstom stanju molekuli vode su asocirani i obrazuju molekulske agregate.

2.1. Gustina vode

Postojanje vodoničnih veza između molekula vode doprinosi znatno jačim međumolekulskim silama, a time i višim temperaturama ključanja i topljenja. Kada je voda u čvrstom stanju, tj. u obliku leda, svaki molekul se okružujućim molekulima obrazuje četiri vodonične veze. Pored temperature, gustina prirodnih voda zavisi i od količine i sastava u njoj rastvorenih i dispergovanih čestica.

Tabela 1.

Zavisnost gustine vode od teperature

5

2.2. Toplotna svojstva vode

Specifični toplotni kapacitet vode, odnosno količina toplote koja je potrebna da se 1 kg vode zagreje za 1 K (1 ºC) iznosi 4,186 kJ/kg·K na 0 ºC.

Standardna entalpija (latemtna toplota) topljenja leda, odnosno količina energije koja je potrebna za raskidanje vodoničnih veza u dovoljnoj meri da se led na 0 ºC prevede u potpunosti u tečnu vodu iste temperature, iznosi 320 kJ/kg.

Standardna entalpija isparavanja vode iznosi 2260 kJ/kg.

Toplotna provodljivost vode je samo 0,632 W/mK (na 40 ºC), pa je voda dobar izolator.

Specifične toplotne karakteristike čine vodu najpogodnijim medijumom za kontrolisanje teperaturnih promena i prenošenje toplote. Zahvaljujući velikom specifičnom toplotnom kapacitetu, vodene mase u prirodi deluju kao ogromni prirodni regulator temperature tokom godine.

2.3. Uticaj toplotnih svojstava i gustine vode na održavanje akvatičnog života

Specifičnosti vode u pogledu male toplotne provodljivosti i zavisnosti gustine od promene temperature, kao i odnosa gustine leda i gustine vode na temperaturi mržnjenja (topljenja), imaju izuzetan značaj na održavanje akvatičnog života tokom čitave godine.

Npr.: tokom leta, kada su temperature vazduha visokem uspostavlja se temperaturni gradijent po dubini jezera, čime jezero biva raslojeno. Površinski slojevi vode se obogaćuju kiseonikom iz vazduha, ali zbog male brzine difuzije kiseonika kroz vodu i navedene nemogućnosti mešanja, donji slojevi vode bivaju osiromašeni kiseonikom i takva voda je lošijeg kvaliteta. U jesen, sniženjem temperature vazduha, dolazi do hlađenja epilimniona i u jednom trenutku se temperatura vode po dubini jezera izjednačava. Time se omogućava oksigenacija čitave vode u jezeru. Kada temperatura padne ispod 4 ºC, gustina površinskih slojeva opet postaje manja od gustine dubljih slojeva. Kada temperatura površinske vode padne na 0 ºC, stvaraju se uslovi za stvaranje ledene kore na površini jezera.

U proleće raste temperatura vazduha, ledena kora se otapa, voda u epilimnionu se postepeno zagreva i čim se izjednači sa temperaturom vode u hipolimnionu, ponovo se stvaraju uslovi za mešanje sadržine jezera.

6

2.4. Napon pare vode

Napon pare vode je pritisak pare u dodiru sa vodom u tečnom agregatnom stanju, pri čemu je brzina isparavanja vode sa površine jednaka brzini kondenzacije pare na površini tečnosti. Najveći uticaj na napon pare tečnosti ima temperatura, dok je uticaj pritiska znatno manji.

Tabela 2.

Zavisnost napona pare od temperature

Ovaj parametar je od izuzetnog značaja za hidrološki ciklus, odnosno za neprekidno kruženje vode u prirodi.

2.5. Površinski napon vode

Pojava da se površina tečnosti ponaša kao zategnuta membrana, težeći da zauzme sferni oblik, tj. da smanji svoju površinu, naziva se površinski napon. Voda ima veoma veliki površinski napon.

Tabela 3.

Zavisnost površinskog napona vode od temperature

7

2.6. Optička svojstva vode

Prozirnost vode, odnosno propustljivost svetlosti, zavisi od talasne dužine svetlosti. Voda dobro propušta ultraljubičaste zrake, dok je propustljivost infracrvenih zraka, koji su značajni sa fizičkog i biološkog stanovišta, veoma mala.

2.7. Električna svojstva vode

Zahvaljujući velikoj polarnosti molekula, vodu karakteriše visoka vrednost dielektrične konstate, što je čini univerzalnim rastvaračem. Voda je slab električni provodnik.

8

3. FIZIČKI POKAZATELJ KVALITETA VODA

3.1. Temperatura vode

Temperatura prirodnih i otpadnih voda predstavlja veoma važan pokazatelj kvaliteta vode, zbog izraženog uticaja na brzinu hemijskih i biohemijskih reakcija i procesa.

Temperatura površinskih voda se menja u zavisnosti od spoljašnje temperature, a temperatura podzemnih voda je relativno konstantna tokom cele godine i iznosi oko 10 ºC.

Temperatura vode se najčešće meri živinim termometrom i to na mestu uzorkovanja odmah nakon uzimanja uzorka.

3.2. Ukus i miris vode

Ukus i miris vode su mera fiziološkog odaziva odgovarajućih čula. Dok se miris određuje i za čistu i za otpadnu vodu, ukus se određuje samo za čistu i prečišćenu vodu. Miris i ukus vode su od posebnog značaja za vodu za piće, vodu koja služi za pripremanje namirnica, pića i farmaceutskih proizvoda.

Ukus i miris se određuju isključivo organoleptički, pa je uticaj subjektivnog faktora veoma veliki, imajući u vidu da se osetljivost čula ukusa i mirisa kod različitih ljudi različita. Kvalitativni izrazi koji se koriste u opisu mirisa i ukusa najčešće su: močvarni, medicinski, septički, fenolni, miris ribe, miris trave, itd.

3.3. Boja

Boja (obojenost) predstavlja pravu boju uzorka vode koja potiče od rastvorenih supstanci i određuje se kada se odstrani mutnoća, dok se pod vidljivom bojom podrazumeva boja orginalnog uzorka bez prethodnog uklanjanja mutnoće. Boja prirodnih voda potiče od jona metala, humusnog, tresetnog, biljnog materijala i planktona.

Određivanje boje se svodi na vizuelno poređenje uzoraka vode sa serijom obojenih standardnih rastvora, poznate koncentracije ili sa staklenim diskovima koji su kalibrisani prema standardnim obojenim rastvorima.

boja vode zavisi i od pH vrednosti i od mutnoće.

3.4. Ukupna količina čvrstih čestica

Ukupna količina čvrstih čestica predstavlja suvi ostatak nakon potpunog uparavanja 1 dm³ vode na 103-105 °C. Ovaj pokazatelj kvaliteta obuhvata sve rastvorene, koloidno dispergovane i suspendovane čvrste čestice u vodi

9

3.5. Elektroprovodnost

Elektroprovodnost predstavlja ukupne elektrolite, odnosno jone u vodi. Elektroliti u vodi utiču na sve aspekte njene prerade i njene podobnosti za određenu primenu.

Merenje elektroprovodnosti vrši se ili merenjem otpora rastvora elektrolita u niskofrekvetnom električnom polju ili merenjem kapacitivnosti rastvora u polju visoke frekvencije,

Standardna jedinica elektroprovodnosti je simens (S).

10

4. HEMIJSKI POKAZATELJI KVALITETA VODA

4.1. pH vrednost vode

pH vrednost vode predstavlja količinu H⁺ i zavisi od vrste i količine prisutnih primesa. Hemijski čista voda na 25 ºC ima pH vrednost 7, ali pH vrednost prirodnih voda leži u intervalu od 4,5 do 8,3.

Zbog uticaja pH vrednosti na hemijska i biološka svojstva vode, određivanje pH je veoma bitno, na primer, za suzbijanje korozije i kontrolisanje procesa i uređaja za prečišćavanje otpadnih voda.

4.2. Tvrdoća vode

Tvrdoća vode potiče od rastvorenih soli kalcijuma i magnezijuma. Ukupna tvrdoća vode (UT) predstavlja ukupan broj klacijumovih i magnezijumovih jona rastvorenih u 1 dm³ vode, bez obzira na to sa kojim anjonima se nalazi u ravnoteži.

Prema ukupnoj tvrdoći, vode se mogu klasifikovati u nekoliko grupa:

Kvalitet vode Tvrdoća (njemački stepeni)

Vrlo meka voda < 5

Meka voda Od 5 do 10

Umereno tvrda voda Od 10 do 15

Tvrda voda Od 15 do 25

Vrlo tvrda voda >25

Sa uvođenjem jonske izmene u procese prerade vode, definisane su još dve vrste vrdoće:

- anjonska tvrdoća (AT)

- bazna tvrdoća (BT).

11

4.3. Alkalnost (baznost) vode

Alkalitet vode predstavlja njenu sposobnost da neutrališe jaku mineralnu kiselinu. Osnovni oblik alkaliteta predstavljaju hidrogenkarbonatni joni – hidrogenkarbonatni alkalitet (HKA). Pri intenzivnoj fotosintentskoj aktivnosti koja može rezultirati porastom pH vrednosti vode i do 10, značajan doprinos vrednosti alkaliteta mogu dati i karbonatni i hidroksilni joni – karbonatni alkalitet (KA) i hidroksilni alkalitet (HA).

Vrednosti alkaliteta izražavaju se u istim jedinicama kao i tvrdoća, odnosno u mg CaCO₃/dm³. U praksi se često alkalitet izražava u cm³ sandardnog rastvora kiseline koja je potrebna za titraciju 1 dm³ vode.

4.4 Kiselost (aciditet) vode

Kiselost vode predstavlja sposobnost vode da neutrališe bazu. Kiselost prirodnih voda uglavnom potiče od prisustva ugljene kiseline, a ponekad i od huminskih kiselina.

Aciditet vode se ispituje titracijom određene količine vode rastvorom NaOH, koncentracije 0,1 mol/dm³.

4.5. Biohemijska potrošnja kiseonika

Biohemijska potrošnja kiseonika – BPK, je količina kiseonika rastvorenog u 1 dm³ vode potrebna za biohemijsku oksidaciju organskih supstanci, što služi kao hrana prvenstveno bakterijama u vodi, a pod tačno definisanim uslovima.

BPK predstavlja parametar kvaliteta koji se izražava količina organskih supstanci u vodi.

Biohemijska oksidacija organskih supstanci je vrlo spor proces i teorijski bi bilo potrebno beskonačno dugo vreme da se proces završi. Međutim, za 20 dana biva oksidisano 95-99 % prvobitno prisutnih organskih supstanci.

4.6. Hemijska potrošnja kiseonika

Hemijska potrošnja kiseonika – HPK, su miligrami kiseonika iz K₂Cr₂O₇ utrošenih na hemijsku oksidaciju svih zagađenih supstanci, koje su prisutne u 1 dm³ vode.

Određivanje HPK traje znatno kraće od određivanja BPK, oko 2-3 sata.

4.7. Potrošnja kiseonika iz kalijum-permanganata

Potrošnja kiseonika iz kalijum-permanganata jeste količina kiseonika iz KMnO₄ koja se utroši za hemijsku oksidaciju organskih supstanci u 1 dm³ vode, pod određenim

12

uslovima. Zbog formalne sličnosti sa HPK parametrom vrlo često se indetifikuje sa HPK parametrom, što predstavlja grešku.

4.8. Ukupni organski ugljenik

Ukupni organski ugljenik predstavlja objektivnije i tačnije određivanje ukupne količine organskih supstanci u vodi nego bilo koji drugi pokazatelj kvaliteta.

Ovako određivanje omogućuje merenje i kontinuirano praćenje količine organskih zagađujućih supstanci u vodi.

Za određivanje ukupnog organskog ugljenika primenjuju se dve metode:

- metoda oksidacija i infracrvena detekcija (koncentracija od 2 do 20 mg/dm³)

- metoda redukcije i plameno-jonizacione detekcije (koncentracija od 1 do 2000 mg/dm³).

13

5. PROCESI U VODI

Voda je jedna od osnovnih supstanci neophodnih za održavanje života, ali i jedan od osnovnih medijuma za odigravanje hemijskih procesa. U nekim hemijskim reakcijama voda učestvuje i kao reaktant.

5.1. Rastvaranje

Rastvaranje je osnovni proces koji određuje hemijski sastav prirodnih voda, jer procesom rastvaranja različite supstance dospevaju u vodu.

Rastvaranje gasova u vodi se odvija bez hemijske reakcije.

Rastvorljivost tečnosti u vodi prvenstveno zavisi od polarnosti molekula.

Kada govorimo o rastvaranju čvrstih supstanci u vodi, rastvorljivost se definiše kao masa čvrste supstance koja se može rastvoriti u određenoj masi vode (100g) pri određenoj temperaturi.Sa aspekta prirodnih i tpadnih voda od izuzetnog je značaja veličina i naelektrisanje čestica čvrste faze koja se nalazi u vodi.

5.2. Adsorpcija i bioakumulacija

Adsorpcija u vodenoj sredini se odvija na površini suspendovanih čestica, koje su najčešće čestice sedimenta, ali često i čestice koje su u vodu dospele kao rezultat antropogenog zagađivanja vode.

Procesi adsorpcije u vodenoj sredini doprinose promeni koncentracije zagađujućih supstanci u vodi, jer se koncentrisanjem na graničnoj površini čvrsto-tečno zagašujuće supstance izdvajaju iz vode.

Pored procesa adsorpcije na suspendovanim česticama, u vodenoj sredini se odigravaju i procesi akumulacije (usvajanja) zagašujućih supstanci od strane vodenih organizamam (bioakumulacija).

5.3. Isparavanje

Količina zagađujućih supstanci u vodi može se menjati i usled isparavanja. Brzina isparavanja zavisi od brojnih faktora, od kojih je naravno najvažniji faktor priroda zagađujućih supstanci, odnosno njen napon pare.

5.4. Oksido-redukcioni procesi

Oksido-redukcione reakcije su karakteristične po tome što u njima dolazi do razmene elektrona, pri čemu je ksidacija otpuštanje elektrona, a redukcija primanje. U

14

prirodnim vodama se odigravaju brojne oksido-redukcione reakcije, koje određuju dominantan oblik u kome se nalaze primese vode.

Izuzetan značaj za kvalitet vode imaju procesi biohemijske oksidacije organskih supstanci, u kojima mikroorganizmi enzimima katalizuju reakcije razgradnje organskog materijala.

Oksido-redukcioni procesi pod dejstvom mikroorganizama su takođe od velikog značaja za oblik u kome će se azot nalaziti u prirodnim vodama.

5.5. Hidroliza

Hidroliza je reakcija soli i vode, pri čemu se dobijaju kiselina i baza. Reakcijama hidrolize podležu soli koje su nastale reakcijom slabih kiselina i jakih baza, slabih baza i jakih kiselina, kao i soli slabih kiselina i slabih baza.

Procesi hidrolize iamju velikog uticaja na karakteristike prirodnih vodam pre svega na alkalitet i pH vrednost. Najznačajnija reakcija hidrolize u prirodnim vodama je hidroliza hidrogenkarbonatnih jona, koji su u vodi prisutni kao soli klacijuma i magnezijuma:

HCO₃⁻ + H₂O H₂CO₃ + OH⁻

5.6. Fotohemijski procesi

Površinske prirodne vode su tokom dana izložene dejstvu sunčeve svetlosti, koja može da izaazove brojne fotohemijske promene, prvenstveno na organskim primesama u vodi.

Kontinualna izloženost prirodnih voda Sunčevom UV zračenju dovodi do direktne razgradnje određenih organskih molekula ili, u nekim slučajevima, do potpune mineralizacije, odnosno prevođenja u neorganske komponente.

Razgradnja organskih molekula pod dejstvom UV zračenja i oksidacionih sredstava naziva se fotooksidacija.

15

6. HEMIJSKI SASTAV PRIRODNIH VODA

Hemijski sastav i kvalitet voda formira se u zavisnosti od procesa koji se odvijaju pri neprekidnom uzajamnom dejstvu vode, zemljišta, gasova i živih bića. Kao rezultat tih procesa prirodne vode imaju određen hemijski sastav.

Sastav površinskih voda jako varira. Načistije su vode brdskih potoka i reka, koje sadrže veoma malo organskog materijala, mikroorganizama i rastvorenih soli. Voda u jezerima može biti slatka ili slana. Sastav slatkovodnih jezera je sličan sastavu rečnih voda.

I podzemne vode imaju različit hemijski sastav, što zavisi od hemijskog sastava zemljišta sa kojim su bile u dodiru. Podzemne vode sa velikom količinom rastvorenih minerala nazivaju se mineralne vode.

Slika 2. Uobičajni sastojci prirodnih voda

16

Suspendovane i koloidno dispergovane čestice su skoro redovno prisutne u površinskim vodama, a u podzemnim vodama ih uglavnom nema.

Organske supstance u vodi mogu se svrstati u tri grupe:

- Prirodna organska jedinjenja

- Sintetska (veštačka) organska jedinjenja

- Organska jedinjenja nastala u toku pripreme vode za piće.

17

7. OBRADA VODE

Obrada vode obuhvaća niz postupaka kako bi se voda mogla primjeniti za konačnu upotrebu, a to može biti pitka voda, napojna voda za termoelektrane, rashladna ili protupožarna voda za industrijska postrojenja, voda za medicinsku i ostalu upotrebu, voda za domaćinstva, komunalna otpadna voda, industrijska otpadna voda ili posebna otpadna voda. Cilj obrade vode je uklanjanje onečišćivača iz vode, ili smanjivanje koncentracije onečišćivača kako bi bila primjenjiva za upotrebu. Konačno tako obrađena voda se mora vratiti u prirodn okoliš bez negativnih ekoloških utjecaja.Obrada ili pročišćavanje vode se može podijeliti na 3 glavne skupine, i to: mehaničko pročišćavanje (taloženje, filtracija, povratna osmoza), hemijsko pročišćavanje (dezinfekcija, flokulacija) i biološko pročišćavanje

(ozračivanje vode, taložnice za organske primjese, taložnice za pijesak, prerada i korištenje mulja).

Tehnologije pročišćavanje pitke vode najčešće se oslanjaju na postupke taloženja (sedimentacije), filtracije (uključujući vapnene omekšivače i ugljenu filtraciju), dezinfekcije (kloriranje), koji ne mogu u potpunosti očistiti pitku vodu od svih onečišćenja i štetnih tvari. Pitka voda je najosnovanija prehrambena namirnica, od izuzetnog fiziološkog značaja, koja ni sa čime ne može biti zamijenjena (norma: EN DIN 2000., europska smjernica za vodoopskrbu 80/778/EWG).

Svjetska zdravstvena organizacija donosi u svome standardu (engl. International Standards for Drinking Water) minimalne zahtjeve u odnosu na hemijske i bakteriološke karakteristike pitke vode. Ali danas niti jedna trećina čovječanstva nema pitku vodu čija kvaliteta zadovoljava minimalne zahtjeve ovih standarda.

Slika 1. Tlocrt i presjek kroz tipično postrojenje za pročišćavanje pitke vode

18

1.– sirova voda, 2. – otapanje i doziranje flokulanata (doziranje),3. – miješanje, 4. – flokulacija ili pahuljičenje, 5. – taloženje ili sedimentacija, 6. – procjeđivanje ili filtracija,7. – dezinfekcija (kloriranje),8. – čista (pitka) voda.

19

8. ZAKLJUČAK

Voda je najrasprostranjenija kapljevina (tekućina) na Zemlji (obujma ~1500 x 109 km3) i najvažnije (polarno) otapalo koje otapa kapljevine, plinove i mnogobrojne krutine. Voda zbog polarnosti posjeduje izvrstan kapacitet da otapa različite vrste tvari. Molekula vode (H2O) sastoji se od dvaju atoma vodika i atoma kisika.U ovom seminarskom radu sam proučavao kkao hemijska, tako i fizička svojstva vode kao što su gustina, napon pare, optička i električna svojstva vode, temperatura,boja...Osim toga vidjeli smo i koji se procesi dešavaju u vodi (rastvaranje, isparavanje, hidroliza), a dotakao sam se i hemijskog sastava prirodnih voda, kao i obrade vode.

20

LITERATURA

1. Tehnologija vode I

2. http://hr.wikipedia.org/wiki/Voda

3. https://www.scribd.com/doc/232251438/Osnovna-Fizi%C4%8Dka-i-Kemijska- Svojstva-Vode-1

21