Přírodní voda disperzní systém obsahující řadu látek anorganického i organického původu
Hydrochemie – obecné složení vod
Přechod mezi systémy je plynulý – obtížné určení hranic především mezi a analytickými a koloidními disperzemi Platí dohoda, že látky procházející filtrem 0,45 mm jsou rozpuštěné
Analyticky disperzní (rozpuštěné látky) – Ø < 10-8 m mangan; nízkomolekulární organické látky (peptidy, fulvokyseliny ...); mikropolutanty = pesticidy, polychlorované bifenyly (PCB), polyaromatické uhlovodíky (PAU), těžké kovy, ...
Koloidně disperzní - Ø = 10-6 - 10-8 m hlinitokřemičitany, amorfní oxid křemičitý, huminové kyseliny, polysacharidy, proteiny, řasy, sinice, bakterie, viry
Hrubě disperzní (nerozpuštěné látky) - Ø > 10-6 m zrna písku a půdy, nerozložený biologický materiál, mikroorganismy
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
1
= heterogenní systémy složené z několika fází – jednotlivé dispergované částice nejsou volné molekuly, ale shluky mnoha molekul (termodynamické vlastnosti fáze)
– vznik fázového rozhraní je podmíněn nerozpustností (velmi malou rozpustností) jedné fáze ve druhé
– vlastnosti: vysoký stupeň disperzity, rozptyl světla, opalescence (Tyndallův jev), pomalá difúze, malý osmotický tlak, možná dialýza, agregátní nestálost, Brownův pohyb, obvykle elektroforetické vlastnosti
– často mezi koloidy řadíme i pravé roztoky vysokomolekulárních látek, ALE částice
v nich obsažené se neskládají z množství malých molekul jsou to jednotlivé molekuly
Hydrochemie – obecné složení vod
Koloidní disperze
2 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Koloidní disperze
1) hydrofobní koloidy – nemají schopnost molekulárně interagovat s vodou (např.
pomocí vodíkové vazby) => mají ostře vymezené fázové rozhraní – jsou tvořeny převážně anorganickými látkami, nevznikají
samovolně a bez dodatečné stabilizace jsou termodynamicky nestálé
2) hydrofilní koloidy – mohou molekulárně interagovat s vodou, fázové rozhraní je
rozprostřeno do větších šířek – většinou jsou tvořeny vysokomolekulárními organickými látkami,
vznikají samovolným rozpouštěním a jsou termodynamicky stabilní – často se označují jako „koloidní roztoky“
3 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
3) asociativní (micelární) koloidy – vznikají spojováním molekul povrchově aktivních látek – jsou tvořeny jak lyofilní tak lyofobní částí – v povrchových vodách např. soli mastných kyselin nebo saponáty
(alkylsulfáty, alkylbenzensulfonany)
4) gely – mají schopnost přecházet z kapalné formy do pevného stavu –
tvorba pevných trojrozměrných síťových struktur – tvořit gely mohou některé lyofobní a řada lyofilních koloidů,
např. intracelulární polysacharidy
4 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
o jílové minerály (hlinitokřemičitany), amorfní oxid křemičitý, hydratované oxidy kovů (hydrolyzovaná destabilizační činidla)
o mikroorganismy (řasy, sinice) o huminové látky, polysacharidy, proteiny
AFM snímek huminových kyselin nanesených na povrch slídy pomocí „spin-coating“ SEM snímek huminových částic
na 100-nm Nuclepore filtru
Co
pyr
igh
t Fo
rsch
un
gsz
en
tru
m D
resd
en
Co
pyr
igh
t Fo
rsch
un
gsz
en
tru
m D
resd
en
5 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Co
pyr
igh
t h
ttp
://t
ox
ics.
usg
s.g
ov/
hydratovaný oxid železitý
kaučukové částice
Copyright Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz
částice kaolínu
Co
pyr
igh
t D
en
tiss
e, I
nc.
, In
dia
na
proteiny a koloidní částice Ric
har
dso
n, W
. D.,
Mill
s, A
. D.,
Dilw
ort
h, S
. M.,
Las
key,
R
. A. a
nd
Din
gw
all,
C. (
198
8):
Ce
ll 52
, 655
–6
64
. C
op
yrig
ht
Ce
ll P
ress
6 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
většina částic obsažených ve vodě nese povrchový náboj
– charakter a velikost náboje určuje povahu a míru interakcí mezi částicemi = ovlivňuje jejich agregátní stabilitu
– původ náboje je dán: a) rozpouštěním iontů b) povrchovou ionizací c) izomorfní substitucí d) specifickou adsorpcí iontů
7 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
Rozpouštění iontů málo rozpustné sloučeniny (uhličitan vápenatý, jodid stříbrný atd.) – rozdílná rozpustnost iontů Ag+ větší tendence vstupovat do vodné fáze než I- , částice AgI pozvolna získávají záporný náboj
– změnou koncentrace Ag+ (např. přídavkem NaI) nebo I- (např. přídavkem AgNO3) lze měnit povrchový náboj AgI tak, že celkový povrchový náboj částice bude nulový – nulový bod náboje (NBN)
8 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
Povrchová ionizace – organické látky
– kyselé nebo zásadité funkční skupiny na povrchu, které v závislosti na pH mohou přijímat nebo odevzdávat protony (H+)
– např. proteiny obsahují kyselé karboxylové (COOH) i zásadité aminové (NH2) skupiny – disociace v závislosti na pH roztoku
– nízké PH – karboxylové skupiny nedisociují – aminové skupiny jsou protonované – vysoké PH – karboxylové skupiny disociují – aminové skupiny nejsou protonované R CH
NH3
+
C OH
O
R CH
NH3
+
C O
O
R CH
NH2
C O
O
NBN
rostoucí pH
0
+
-
0
9 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
Povrchová ionizace – organické látky
– izoelektrický bod = hodnota pH, při které je počet kladně nabitých a záporně nabitých skupin v rovnovážném stavu
Povrchová ionizace – oxidy kovů
– např. Al2O3, Fe2O3, TiO2 tvorba amfoterních skupin Al-OH, Fe-OH na jejich povrchu
M OH2
+M OH M O
NBN
rostoucí pH
10 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
Izomorfní substituce – přebytek náboje koloidních částic (jílové minerály – kaolinit)
– střídání tetraedrických vrstev Si s oktaedrickými vrstvami Al
– ve vstvách křemíku mohou být kationty Si4+ nahrazeny kationty Al3+ a ve vrstvách hliníku kationty Al3+ např. Mg2+
– výměna Si za Al vede k přebytku záporného náboje, který musí být vyvážen vhodným počtem kompenzujících kationtů, např. Ca2+ (nejsou v mřížce kaolinitu, zůstávají pohyblivé) – tzv. kation-výměnné vlastnosti jílů
11 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
proteiny a koloidní částice
Specifická adsorpce iontů – v případě, že koloidní částice nemá vlastní náboj ani ionizovatelné
skupiny může získat náboj specifickou (tj. jinou než elektrostatickou) adsorpcí iontů z roztoku
– např. adsorpce iontů povrchově aktivních látek hydrofobní uhlovodíková část minimalizuje kontakt s vodou adsorpcí na hydrofobní koloidní částici bez náboje a hydrofilní ionizovaná část s nábojem určuje náboj koloidní částice
12 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
částice kaolínu
13 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Kinetická (sedimentační) stabilita
= schopnost disperzní soustavy uchovávat rovnoměrné rozdělení částic v celém objemu = odolnost částic vůči působení gravitačního nebo odstředivého pole při nezměněném stupni disperzity
hrubé disperze (nízký stupeň disperzity) = kineticky nestálé, sedimentují
analytické disperze (vysoký s. d.) = kineticky vysoce stálé, nesedimentují
koloidní disperze = přechodné, leží mezi dvěma výše uvedenými extrémy
Agregátní stabilita
= schopnost disperzního systému zachovávat stupeň své disperzity = schopnost odolávat procesům, které vedou ke vzájemnému spojování ve větší kineticky nestálé agregáty
– určena povahou interakcí mezi koloidními částicemi při jejich srážkách
• převažují-li přitažlivé síly částice agregují do větších celků
• převažují-li odpudivé síly systém zůstává v dispergovaném stavu
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 14
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
T [oC] 4 10 15
uS [m.s-1] 1,39.10-8 1,68.10-8 1,95.10-8
tS [s] 2,88.106 2,38.106 2,05.106
[hod] 7,99.102 6,61.102 5,70.102
[dny] 33,1 27,6 23,7
uo [m.s-1] 1,91.10-5 2,31.10-5 2,68.10-5
to [s] 1,74.103 1,45.103 1,25.103
[min] 29,1 24,1 20,8
Gra
vita
ce
Odst
ř.
Usazování částice (d = 1,0.10-6 m, ρ = 1,04.103 kg.m-3)
gravitačním a odstředivém poli
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 15
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Agregátní stabilita = schopnost disperzního systému
zachovávat stupeň své disperzity – určena povahou interakcí mezi částicemi
elektrostatické interakce
van der Waalsovy síly
elektrická dvojvrstva
solvatační (strukturní) interakce
interakce s polymery stérické interakce
polymerní můstky
depleční interakce
nekovalentní interakce
chemická (kovalentní) vazba
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 16
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
rhE
1
4
QQ)(
0
21
62
0
2
2 1
96
Q)(
rTk
phE
B
62
0
2
2 1
32
Q)(
rhE
• interakce mezi nabitými částicemi
• interakce nabitá částice – permanentní dipól
• interakce nabitá částice – indukovaný dipól
Elektrostatické interakce
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 17
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
van der Waalsovy síly – mezimolekulární interakce
• Keesomovy-van der Waalsovy (orientační) síly
= interakce permanentní dipól – permanentní dipól
• Debyeovy-van der Waalsovy (indukční) síly
= interakce permanentní dipól – indukovaný dipól
• Londonovy-van der Waalsovy (disperzní) síly
= interakce indukovaný dipól – indukovaný dipól
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 18
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
6)(
hhE
ij
energie vdW interakcí = nepřímo úměrná šesté mocnině vzdálenosti částic (molekul, atomů)
ji
jiPji
ijji
B
ji
ij
hpp
Tk
pp
2
3
34
1 00
0
2
0
2
22
2
0
0 = permitivita vakua, pi, pj = molekulární dipólové momenty, kB = Boltzmannova konstanta,
= teplota, 0i a 0j = elektrické polarizovatelnosti, hP = Planckova konstanta,
i a j = absorpční frekvence
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 19
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Elektrická dvojvrstva
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 20
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
DLVO teorie
Derjaguin a Landau (1941) + Verwey a Overbeek (1948)
– popisuje koagulaci (destabilizaci) nabitých koloidních částic stabilizovaných elektrickou dvojvrstvou pomocí elektrolytů opačného náboje = bilance vzájemného působení přitažlivých van der Waalsových a odpudivých elektrostatických sil
)( vdWel EEE
Interakční energie
mezi rovinnými povrchy mezi kulovitými částicemi
vdW
elE
E
h
aA
l
h
lE
12exp2
2
vdWel
EE
h
A
l
h
lE
2
2
12exp2
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 21
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Solvatační (strukturní) interakce
„velké“ vzdálenosti částic => rozpouštědlo = kontinuum => vdW a elektrostatické interakce
„malé“ vzdálenosti částic => diskrétní charakter kapaliny => tvorba vrstev paralelních s povrchem (různá struktura kapaliny na povrchu částice a ve volném prostoru)
a) Strukturování molekul rozpouštědla v okolí částice (interakce povrch – rozpouštědlo)
b) Oscilující hustotní profil rozpouštědla
v závislosti na vzdálenosti od povrchu
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 22
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Solvatační (strukturní) interakce
Solvatační interakce závisí na:
o chemických a fyzikálních vlastnostech povrchů (hydrofilní x hydrofobní, amorfní x krystalické, pevné x tekuté)
o vlastnostech rozpouštědla (voda x org. rozp.)
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 23
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška Hydrofobní interakce
SEM snímky nanokrychliček stříbra s různým počtem hydrofobních stěn
hydrofobní částice ve vodě (neposkytují vazebné místo pro vodíkovou vazbu) => brání tvorbě strukturního uspořádání vody => entropicky nevýhodné
– snížení celkové volné energie systému – migrace molekul vody z blízkosti hydrofobních částic do volného objemu (neomezené možnosti pro vznik vodíkových vazeb + nižší volná energie) => vznik přitažlivá „síla“ mezi hydrofobními povrchy
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 24
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška Hydrofilní interakce
Copyrigh
t UC B
erke
ley, T
ere
sa Head
-Gord
on's Lab
http://mspc.bii.a-star.edu.sg
Hydratace proteinů
http://fkp.tu-darmstad.de
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 25
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Interakce s polymery – adsorbující se polymery
Stérické interakce Polymerní můstky
(polymer bridging)
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Analytické disperze – pravé roztoky
Látky rozpuštěné:
1) Iontově (např. Ca2+, Mg2+, Na+, K+, SO42-, Cl-, NO3
-, HCO3-)
2) Neiontově (sloučeniny Si, B, plyny – O2, CO2)
Dělení podle kvantitativního zastoupení:
1) Makrokomponenty
2) Mikrokomponenty – c < 1 mg/l, resp. < 0,02 mmol/l
3) Stopové látky – c < 1 mg/l, resp. < 0,02 mmol/l
Vlastnosti mikrokomponentů:
1) Sorpce na tuhých fázích (hlinitokřemičitany, sedimenty, kaly, hydratované oxidy kovů atd.) 2) Tvoří koloidní disperze, netvoří sraženiny 3) Pomalé ustavování reakční rovnováhy
26 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Koncentrace celkových, rozpuštěných a nerozpuštěných látek
– skupinové stanovení sušiny celk., rozp. a nerozp. látek (mg/l); ztráty sušiny žíháním - T = 550 °C (mg/l nebo jako % ze sušiny)
Koncentrace celkových látek (CL) - součet koncentrací netěkavých a nerozkládajících se rozpuštěných a nerozpuštěných látek za uvedené teploty
Stanovení: odpařením vzorku vody na vodní lázni a vysušením odparku při T = 105 °C (CL105)
Koncentrace rozpuštěných látek (RL)
- součet koncentrací netěkavých a nerozkládajících se rozpuštěných látek za uvedené teploty
Stanovení: odpařením filtrovaného (0,45 mm) vzorku vody na vodní lázni a vysušením odparku při T = 105 °C (RL105)
27 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Stanovení rozpuštěných látek ~ obsah veškerých anorganických látek
Může docházet ke značné chybě!
- při odpařování a sušení vzorku se některé anorg. l. hydrolyzují, případně rozkládají
- hydratační nebo okludovanou vodu nelze vždy kvantitativně odstranit Rozklad hydrogenuhličitanů - ztráta hmotnosti uvolněním CO2 Ca(HCO3)2 = CaCO3 + H2O + CO2 Vznik hydroxid chloridu rozkladem chloridu hořečnatého – ztráta cca 145 mg hořčíku na 100 mg chloridů MgCl2 + H2O = Mg(OH)Cl + HCl
28 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Celková mineralizace
1) součet hmotnostních koncentrací všech rozp. anorg. tuhých látek
Σρ (mg/l) 2) součet látkových koncentrací všech rozp. anorg. tuhých látek
Σc (mmol/l)
- vystihuje počet iontů či molekul bez ohledu na jejich hmotnost - není závislý na formě výskytu dané složky (Si – SiO2, P – PO4
3-) při stanovení celkové mineralizace se započítávají pouze makrokomponenty
Hydrochemie – obecné složení vod 29
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Mineralizace přírodních vod
Kategorie vod Σc (mmol/l) Σρ (mg/l) S velmi malou mineralizací do 2 do 100
S malou mineralizací 2-4 100-200
Se stření mineralizací 4-10 200-500
Se zvýšenou mineralizací 10-20 500-1000
S velkou mineralizací nad 20 nad 1000
30 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
U vod s vysokým organickým znečištěním (odpadní vody) se kromě RL
stanovují také rozpuštěné anorganické soli (RAS)
rozpuštěné látky žíhané (RL550)
- dojde ke spálení organického uhlíku – zbytek anorg. l.
Podhodnocení reality v důsledku:
1) sublimace amonných solí
2) ztráta hydratační vody
3) rozklad NO3-
4) rozklad MgCO3
31 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Nerozpuštěné látky (NL)
v přírodních vodách nejčastěji hlinitokřemičitany
hydratované oxidy kovu (Fe, Mn, Al)
fytoplankton
zooplankton
organický detrit NL
– usaditelné (suspenze – suspendované látky)
- neusaditelné (koloidní látky)
- „vzplývavé“
Pozn. Suspended solids (particulate matter) – všechny nerozpuštěné látky větší než 2 mm,
tj. látky usaditelné
32 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Formy výskytu látek ve vodách
různé formy látek (speciace) různé vlastnosti
formy výskytu prvků ve vodách jsou výsledkem protolytických,
komplexotvorných, redoxních a polymeračních reakcí
Distribuci forem lze zjistit:
1) Řešením chemických rovnováh (chemická termodynamika)
2) Experimentálně tzv. speciační analýzou
- ISE (iontově selektivní elektroda)
- anodická rozpouštěcí voltametrie
- dělící metody (extrakce, sorpce, LC, elektroforeza atd.)
vliv např. na toxicitu, bioakumulaci, sorpci, migraci atd.
33 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Příklady rozdílných vlastností jednotlivých forem - toxicita
NH3 x NH4+
H2S x HS- x S2-
vyšší toxicita nedisociovaných forem
CN- x kyanokomplexy
F- x fluorokomplexy vyšší toxicita jednoduchých iontů (čím stabilnější komplex, tím méně toxický)
organokovové sl. rtuti (alkylderiváty)
x
anorg. sl. rtuti
vyšší toxicita organokov. sl.
34 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Vyjadřování kvalitativního složení vod Nejednotnost ve vyjadřování složení vod
např. běžně se uvádí sulfidická síra jako koncentrace H2S – chybné!
– síra v ox. st. II. jako H2S, HS-, S2-
Optimální stav - vyjadřování prvků (kovů i nekovů) v elementární formě
s rozlišeným oxidačním stupněm, např. síru jako SVI, SII,
železo jako FeII, FeIII
Celková koncentrace – CT (T – total)
- např. při bilanci dusíku, fosforu atd.
PT = Porg + Panorg = Porg + P(PO43-) + P(poly)
NT = Norg + Nanorg = Norg + N(NH4+) + N(NO2
-) + N(NO3-)
35 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
Vyjadřování kvantitativního složení vod
1) Hmotnostní koncentrace – ρ [mg.l-1]
2) Látková koncentrace – c [mmol.l-1]
Výhody látkové koncentrace:
- nezávisí na formě výskytu
- je úměrná počtu reagujících částic
(chemická reaktivita je závislá na počtu částic dané látky nikoli na jejich hmotnosti)
- stejné látkové koncentrace znamenají stejný počet částic daných látek (počet částic na 1mol je dán Avogadrovou konstantou - 6,022 . 1023 mol-1)
36 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod
látková koncentrace
X
hmotnostní koncentrace
Příklad:
1 mg.l-1 fenolu (M = 94 g.mol-1) = 10,6 mmol.l-1
1mg.l-1 dodecylsulfátu sodného
(M = 288 g.mol-1) = 3,46 mmol.l-1
37 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – obecné složení vod 38
Hyd
roch
em
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Anorganické látky ve vodách
převážně jako kationty: Ca2+, Mg2+, Na+, K+
převážně jako anionty: HCO3-, SO4
3-, Cl-
převážně v neiontové formě: Si, B
většina prvků je přítomna jako kationty, anionty i neelektrolyty
Členění podle elektronové konfigurace na:
1) kovy
2) polokovy
3) nekovy
Pozn.: kov - počet elektronů nejvyšších zaplňovaných orbitalů ≤ číslu periody do níž prvek patří
39 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Kovy
-těžké - ρ > 5000 kg.m-3, jejich soli se srážejí sulfidem sodným
- toxické - není synonymum pro těžké
beryllium – toxický kov, ale není kov těžký
železo a mangan jsou těžké kovy, ale nejsou toxické
- např. Hg, Cd, Pb, As, Se, Cr, Ni, Be, Ag, Sb
- esenciální – mají biologické funkce, jsou běžnou součástí biomasy
- např. Ca, Mg, K, Na, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Mo, Ni, W, Se
- některé jsou ve větším množství toxické
40 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Dělení kovů a polokovů podle hygienické závadnosti:
1) Toxické (viz výše)
2) S karcinogenními nebo teratogenními účinky (As, Cd, CrVI, Ni, Be)
3) Chronicky toxické (Hg, Cd, Pb, As)
4) Ovlivňující organoleptické vlastnosti (chuť, barvu) vody (Mn, Fe, Cu)
Příčiny toxicity:
1) Afinita k reaktivním skupinám enzymů (amino-, imino- a thio- skupiny)
2) Tvoří cheláty s organickými látkami v buňkách
– pravděpodobně hlavní příčina bioakumulace kovů (Hg, Pb, Se, Cu)
3) Katalyzují rozklad koenzimů (lanthanoidy rozkládají ADP)
4) Inkorporace do látek tvořících buněčné stěny (Au, Cd, Cu, Hg, Pb)
41 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Další vlastnosti kovů:
1) Tvorba komplexní sloučenin – odlišné vlastnosti od jednoduchých iontů
např. s organickými látkami přírodního původu (NOM)
2) Katalyzují chemické reakce ve vodách
např. oxidačně-redukční reakce
Cu, Co, Ni – značně urychlují oxidaci FeII a MnII
Cu – katalýza chemické redukce NO3-
3) Mnohé podléhají biochemickým transformacím - biomethylacím
- bakteriální přeměna HgII na methylrtuť CH3Hg+ a dále
až na těkavou dimethylrtuť (CH3)2Hg
- bakteriální oxidace FeII a MnII na hydratované oxidy Fe a Mn
42 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Akumulace v tuhých fázích (sedimentech) – imobilizační procesy
1) Alkalizace vody
- srážení kovů ve formě hydratovaných oxidů, uhličitanů nebo sulfidů
2) Oxidace
- kovy ve vyšších ox. st. se snáze hydrolyzují a vylučují jako sraženina
např. hydratovaný oxid železitý
3) Adsorpce na tuhých fázích
- adsorpce kovů na hlinitokřemičitanech, hydratovaných oxidech atd.
4) Inkorporace do biomasy
- aktivní transport kovů do buňky
43 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18
1) Pokles pH
- rozpouštění málo rozpustných sloučenin kovů
Hydrochemie – anorganické látky ve vodách
Uvolňování z tuhých fází – remobilizační procesy
2) Redukce
- sloučeniny kovů jsou zpravidla rozpustnější v redukované formě
3) Komplexace
- komplexní sloučeniny s org. l. jsou v rozpuštěné formě
4) desorpce
- souvisí s redukcí, kdy dochází k uvolňování dříve sorbovaných kovů
5) Uvolňování z odumřelé biomasy
44 H
ydro
chem
ie –
2. př
edná
ška
Pivokonský, ÚŽP PřF UK, ZS 2017/18