Zanieczyszczenia wód

Najpopularniejszy, a równocześnie najważniejszy związek tlenu i wodoru to woda.

Najpierw trochę historii.

Woda została zaliczona przez Arystotelesa do podstawowych ży­wiołów budujących cały świat. Lavoisier oprócz stwierdzenia, że woda składa się z dwóch pierwiastków podał stosunek masowy tych pierwiastków jako l : 6,5. J Gay-Lussac ustalił, że na l część masową wodoru przypada 8 części masowych tlenu. Odpowiada to wzorowi jednej cząsteczki H₂O. J Słowa Talesa z Miletu, o których polski filozof Tadeusz Kotarbiń­ski powiedział, że są pierwszą naukową teorią, wszystko jest z wody. z wody powstało i z wody się składa najlepiej uzasadniają powyższe stwierdzenia.

Z lekcji przyrody, biologii, a także obserwacji życia codziennego doskonale wiadomo, że woda jest podstawowym składnikiem wszyst­kich organizmów. Nawet z pozoru suche nasiona zawierają okol: 10% wody, nie mówiąc już o meduzach, które są wodą w 98%. Woda to także środowisko życia dla wielu zwierząt i roślin. Przemiany metaboliczne warunkujące wszystkie procesy życiowe zachodzą w środowisku wodnym, toteż nic dziwnego, że jak już powiedziane bez wody człowiek może przeżyć zaledwie kilka dni. Równocześnie można stwierdzić, że Ziemia to właściwie planeta wody, ponad 75% jej powierzchni zajmuje ta substancja. Oprócz wody, w ciekłym stanie skupienia, ogromne ilości tego związku występują w postaci wiecznych śniegów i lodowców oraz rozproszone postaci pary wodnej w Niezwykłe właściwości wody.

Już jej ciekły stan skupienia w warunkach normalnych budzi zdziwienie. Jest to przecież związek chemiczny utworzony z dwóch lekkich gazów się molowej 18 g, który powinien być gazem, cieczą o wysokiej temperaturze krzepnięcia i wrzenia (100°C). Podczas krzepnięcia wody objętość zwiększa się aż o 9,3%, co oznacza, że z l dm³ wody stanie ciekłym otrzymuje się 1,093 dm³ lodu (stan stały). Ta rość sprawia, że lód nie tonie, ale pływa po powierzchni chroniąc w ten sposób zbiorniki przed zamarzaniem w całej objętości,tym samym umożliwiając istnienie życia w akwenach, gdy temperatura spada znacznie poniżej 0°C. Zjawisko to ma jednak  również ujemny wpływ na przemiany zachodzące w przyrodzie. Woda zamarzając w szczelinach skał, powoduje ich kruszenie.

Badania nad strukturą lodu wykazały, ze w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia (powyżej 2000 atmosfer) lód przechodzi w inne odmiany, różniące się od zwykłego lodu postacią krystaliczna i temperaturą topnienia. Zidentyfikowano aż 6 różnych odmian lodu. Nietypowo zmienia się też gęstość wody: rośnie od 0°C do 4°C, osiągając maksimum w tej temperaturze, aby następnie maleć wraz ze wzrostem temperatury.

Przyczyną tych niezwykłych właściwości wody jest jej budowa. Cząsteczka wody ma budowę kątową. Wiązanie występujące między atomem tlenu i wodoru to wiązanie kowalencyjne spo­laryzowane. Woda jest więc dipolem i może tworzyć wiązania wodorowe. Istnienie wiązań wodorowych między cząsteczka­mi wody jest przyczyną jej asocjacji, czyli tworzenia skupisk połączonych ze sobą cząsteczek (H₂O). Zjawisko to jest właś­nie przyczyną anomalnych właściwości wody. Zwróćmy jeszcze uwagę na fakt, że ze względu na rozpowszech­nienie i możliwość otrzymywania wody o wysokim stopniu czysto­ści jest ona stosowana jako substancja wzorcowa. Temperatura krzepnięcia i wrzenia wody w warunkach normalnego ciśnienia to podstawowe punkty w skali termometrycznej Celsjusza, a masa l dm³ wody w 4°C przyjęta jest za jednostkę masy.

W życiu codziennym bardzo często posługujemy się określeniami, w których występuje słowo woda. Mówimy np. o wodzie wodociągo­wej, mineralnej, morskiej, twardej, destylowanej czy nawet o wodzie ciężkiej. Zastanówmy się, czym różnią się te rodzaje wody pod wzglę­dem chemicznym. Cztery pierwsze określenia odnoszą się do rozcień­czonych roztworów, w których rozpuszczalnikiem jest woda.

Woda wodociągowa, czyli woda, która dostarczana jest do na­szych domów, jest oczyszczona ze szkodliwych substancji, ale zawiera rozpuszczone sole wapnia, magnezu, czasem ślady żelaza i innych pierwiastków.

Woda mineralna to naturalna woda źródlana zawierająca duże ilości rozpuszczonych gazów (głównie CO₂) i soli. Powoduje to}(. lecznicze właściwości. W zależności od miejsca występowania wody mineralne mają różny skład i w konsekwencji różny smal Mogą być słone (zawierają głównie chlorek sodu), gorzkie (zawierają głównie siarczan(VI) magnezu), mogą mieć smak neutralny spowodowany rozpuszczonymi siarczanami(VI) sodu i potasu. Wody te zawierają też w bardzo małych ilościach inne pierwiastek np. żelazo, selen, jod czy brom. Występują one w różnych miejscach w Polsce i stąd przede wszystkim wywodzą się ich nazw Kryniczanka, Nałęczowianka, Piwniczanka. W ostatnich latach naukowcy coraz częściej zwracają uwagę, że dorosły człowiek powinien wypijać dziennie nawet do 2 dm³ (litrów) wody mineralnej, dostarczając w ten sposób organizmowi nie tylko wody, ale i mikroelementów.

 Woda morska to też oczywiście roztwór wodny zawierający rozpuszczalne sole - głównie chlorek so­du, np. Morze Bałtyckie zawiera 7,8%  NaCl, a Mo­rze Martwe aż 26% NaCl.

Woda destylowana to woda pozbawiona składni­ków mineralnych i gazowych otrzymana w wyniku destylacji, czasem nawet dwu- lub trzykrotnej. Wo­dy destylowanej używa się w pracowniach chemicz­nych, do wyrobu lekarstw, do uzupełniania elektro­litów w akumulatorach itp.

Woda twarda - jest to określenie wody zawierającej rozpusz­czone sole wapnia i magnezu. W takiej wodzie mydło się nie pieni, natomiast powstaje mydlany osad, który utworzony jest z trudno rozpuszczalnych związków wapnia i magnezu.

Woda ciężka to woda, w której cząsteczce zamiast zwykłych ato­mów wodoru znajdują się atomy deuteru. Deuter, jak pamiętamy, jest izotopem wodoru, w którego jądrze znajduje się dodatkowo jeden neutron. Symbol tego izotopu to D. Woda ciężka ma więc wzór D₂O. Woda ciężka ma odmienne właściwości od zwykłej wody, np. jej temperatura wrzenia wynosi 101,42°C, a temperatu­ra topnienia 3,81°C. Występuje ona w zwykłej wodzie w bardzo małych ilościach. Otrzymywana różnymi metodami fizykoche­micznymi znalazła zastosowanie np. jako moderator (spowalniacz) w reaktorach jądrowych.

Podany powyżej przegląd różnych rodzajów wód nie wyczerpuje wszystkich obiegowych pojęć związanych z wodą, ale wystar­czająco uświadamia jej powszechność i różnorodność.

Ze słów Arystotelesa wynika, że staranie się o czystą wodę to nie tylko problem naszych czasów. Słyszymy i czytamy bardzo często o zatruciach rzek, jezior, o tym, że nagle giną ryby lub że zbiornik wodny nadmiernie zarasta roślinnością. Nawet XXI wiek rozpoczął się informacją o klęsce skażenia rze­ki Seret, w rumuńskim dopływie Dunaju. W wodach tej rzeki zna­lazł się cyjanek sodu w stężeniu przekraczającym nawet 800 razy dopuszczalne normy. Spowodowało to wyginięcie kilku tysięcy ton ryb i częściowe zatrucie wód Dunaju. Wszystko to dzieje się, mimo że państwa podpisują układy o ochronie mórz i oceanów (Londyn, 1973), o ochronie Bałtyku przed zagładą (Helsinki, 1974). Wprowadzono również europejskie normy określające do­puszczalne stężenie substancji toksycznych. Zwróćmy jednak uwagę na nietypowe przyczyny degradacji wód. Parę lat temu na Śląsku okazało się, że nagle w rzece ginęły ryby, mimo że w wodach rzeki nie stwierdzono przekroczenia norm żadnej substancji toksycznej. Przyczyną śniecią ryb okazał się brak tlenu w wodzie spowodowa­ny wypuszczeniem ciepłej wody z kopalni. Jak wiecie, rozpuszczal­ność gazów w wodzie maleje ze wzrostem temperatury.

Eutrofizacja wód, czyli nadmierne zarastanie zbiorników wodnych. Jedną z przyczyn tego zjawiska jest zwięk­szenie stężenia w wodzie jonów fosforanowych(V), których źród­łem są np. nawozy fosforowe. Fosfor jest pierwiastkiem niezbęd­nym do życia, lecz przenawożenie gleby powoduje, że związki fos­foru zostają wymyte przez opady do rzek, jezior i stawów, gdzie przyczyniają się do nadmiernego rozwoju roślinności. Staje się to przyczyną braku światła w głębszych warstwach wody, zaburzenia gospodarki tlenowej, a w konsekwencji stopniowego wypierania organizmów typowych dla danego zbiornika wodnego. Inną przyczyną degradacji wód jest tzw. zjawisko kwaśnych opadów.

Tlenek siarki(IV) i tlenki azotu emitowane do atmosfery stanowią gazowe zanieczyszczenia powietrza. Źródłem tych zanieczyszczeń są zarówno procesy naturalne (wybuchy wulkanów), jak i procesy będące wynikiem działalności człowieka. Wprowadzone do atmosfery np. tlenki siarki czy tlenki azotu pod wpływem pary wodnej zawartej w powietrzu tworzą kwasy, które opadają na ziemię razem z desz­czem jako tzw. kwaśne opady. Powodują one między innymi zakwaszenie wód powierzchniowych, a w kon­sekwencji wód w zbiornikach wodnych, co niekorzyst­nie wpływa na florę i faunę. W wodzie o pH około 5,4 przestają się rozmnażać ryby.

Problem zakwaszenia wód występuje w wielu krajach. W Szwecji na 85 000 jezior aż 16 000 jest zakwaszonych, a w 5 000 całkowicie wyginęły ryby. Jedną z metod niwelowania nadmiernego zakwaszenia wód jest np. wapnowanie zbiorni­ków wodnych.

Przedstawiony problem zanieczyszczenia wód to równocześnie wyzwanie dla ludzi zarówno tych odpowiedzialnych za wielki przemysł, jak i dla nas wszystkich. Pa­miętajmy, że ochrona środowiska to przede wszystkim obowiązek całego społeczeństwa.

Na koniec zastanówmy się jeszcze, jaką drogę przechodzi woda od ujęcia na rzekach czy jeziorach do naszych domów.

Wodę najpierw filtruje się przez złoża piasku, na którym zatrzy­mują się największe zanieczyszczenia. Następnie przepływa ona przez tzw. osadnik, w którym dzięki pewnym substancjom chemi­cznym, np. A1₂(SO₄)₃, małe cząsteczki zawieszone w wodzie łączą się ze sobą i opadają na dno (osadzają się). Następny etap to dalsze filtrowanie wody, czyli przepuszczanie jej przez drobnokrystaliczny piasek. Ostateczne oczyszczanie to usuwanie bakterii przez do­datek chloru (chlorowanie) lub ozonu (ozonowanie).

Tak oczyszczona wo­da nadaje się do użytku w gospodarstwie domo­wym. Napełnia się nią wielkie zbiorniki, z których jest pompowana do domów i zakładów przemysłowych. Mu­simy jeszcze zwrócić uwagę na rolę, jaką odgrywają chemicy w procesie uzdatniania wody. Woda na każdym etapie uzdatniania jest badana w laboratoriach na za­wartość wszystkich podstawowych zanieczyszczeń. W zależności od wyników analizy dozowane są substancje oczyszczające.

Omówimy jeszcze jeden pro­ces, dzięki któremu istnieje szan­sa na czyste wody naturalnych zbiorników, czyli proces oczysz­czania ścieków odprowadzanych przez sieć kanalizacyjną.

Ścieki najpierw płyną przez tzw. kanał osadowy, w którym zatrzymują się duże odpady. Następny etap to osadzanie się szlamu zawierającego wiele szkodliwych substancji. Wstępnie oczysz­czony ściek dostaje się do komory, do której dostarcza się w du­żych ilościach powietrze (napowietrzanie). W komorach tych znajdują się odpowiednie szczepy bakterii rozkładające niektóre szkodliwe substancje. Woda po przejściu przez kolejny osadnik może już być wypuszczana do rzek.

W ostatnich latach w wielu oczyszczalniach szlam poddaje się fermentacji, otrzymując tzw. gaz biologiczny(biogaz), którego głównym składnikiem jest metan - cenny surowiec energetyczny. Chloru do dezynfekcji wody uży­to po raz pierwszy na przełomie XIX/XX w. w Anglii, co uratowa­ło ten kraj przed epidemią tyfusu. W niektórych stacjach uzdat­niania wody dodaje się do niej związków fluoru w celu zapo­biegania próchnicy zębów.