Woda - substancja życia.

Wstęp .

Woda stanowi podstawę życia wszystkich organizmów, a także większości abiotycznych procesów na Ziemi. Jest głównym składnikiem organizmów roślinnych i zwierzęcych, a jej nadmierny ubytek lub niepożądane zanieczyszczenia prowadzą do śmierci roślin, zwierząt i ludzi.

Wody zajmują 71% powierzchni kuli ziemskiej . Samo jednak jej rozmieszczenie jest nierównomierne . Na półkuli północnej wynosi ono tylko 61%, a na półkuli południowej aż 81% powierzchni . Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż z ogólnego zasobu wodnego ziemi prawie 98% stanowią wody słone, a tylko ok. 2% wody słodkie z czego 1,6% to wody uwięzione w lodowcach i wiecznych śniegach, a 0,4% to wody słodkie rzek i jezior . Dlatego na niedostatek wód słodkich cierpi ok. 60% lądowej powierzchni globu . Wody naszego globu zaliczane są wprawdzie do zasobów naturalnych odnawialnych, ale nie zaspokaja to w pełni potrzeb ludzkości ani też naturalnego środowiska przyrodniczego, gdyż także opady atmosferyczne rozłożone są bardzo nierównomiernie .

Właściwości wody .

Z chemicznego punktu widzenia woda stanowi wodny roztwór substancji nieorganicznych i organicznych, występujących na ziemi . W wodzie mogą znajdować się koloidy i zawiesiny . Substancje występujące w wodzie są pochodzenia naturalnego lub są wprowadzane do wód na skutek działalności człowieka .

Jak widzimy woda należy do najprostszych związków chemicznych występujących w przyrodzie . Składa się tylko z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu – H₂O . Aczkolwiek przypatrując się bliżej stwierdzamy, że w cząsteczce wody atomy wodoru są usytuowane niesymetrycznie w stosunku do atomu tlenu . Kąt zawarty pomiędzy wiązaniami wodoru z tlenem wynosi 105^o. W konfiguracji cząsteczki wody atomy wodoru mają ładunki dodatnie, a atom tlenu – ładunek ujemny.W wyniku takiego rozmieszczenia ładunków H₂O jest cząsteczką dipolową czyli biegunowo-polarną Cząsteczka dipolowo - polarna charakteryzuje się tym, że występują w niej zarówno ładunki dodatnie jak i ujemne oddalone od siebie . Polarność cząsteczki charakteryzuje tzw. moment dipolowy, który równa się iloczynowi ładunkom i odległości między środkami ładunków dodatnich i ujemnych .

Właściwości charakteryzujące wodę.

• Trójpostaciowość - poniżej 0^oC woda przybiera postać stałą, przy temperaturze od 1^oC¸ 100^oC jest cieczą, a powyżej 100^oC parą wodną, czyli przybiera postać lotną . Jednakże i w niższych, wbrew pozorom temperaturze odbywa się parowanie wody .

• Gęstość – jest niezwykle ważną własnością mającą żywotne znaczenie dla całej biosfery . Polega ona na tym, że przy zamarzaniu woda zmniejsza a nie zwiększa swoją gęstość . Przy oziębianiu wody początkowo zachodzi zwykły i naturalny proces w wyniku którego woda staje się coraz gęstsza i żadnych odchyleń od normy nie zaobserwujemy dopóki nie oziębimy wody do temperatury 4^oC . Poniżej tej temperatury woda, wbrew wszelkim prawom, staje się lżejsza, a w trakcie dalszego zamarzania obserwujemy powstawanie lodu, który pływa po powierzchni wody . Ta właśnie cecha wody zabezpiecza zbiorniki wodne (jeziora, stawy) przed zamarzaniem do dna podczas surowych zim, umożliwiając tym samym przetrwanie życia w tych zbiornikach .

• Rozpuszczalność – jak wiemy woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem w porównaniu z innymi cieczami, co w dużym stopniu wynika z jej polarności . Ciało stałe, ciecz lub gaz rozpuszczają się w wodzie w określonym stopniu . Woda idealnie czysta jako zbiór cząsteczek H₂O praktycznie nie istnieje . Nawet uzyskiwana w laboratoriach o bardzo wysokim stopniu czystości zawsze zawiera niewielką ilość rozpuszczonych substancji .

• Napięcie powierzchniowe – jest to praca, którą należy wykonać w celu zwiększenia powierzchni cieczy . Jeśli założy się, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak elastyczna błona, to napięcie powierzchniowe będzie siłą rozrywającą . Jednostką napięcia powierzchniowego jest niuton na metr (N/m), przy czym 1 dyna/cm = mN/m . Dzięki napięciu powierzchniowemu kropla wody ma kształt kuli . Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się przy wzroście temperatury . Woda charakteryzuje się najwyższym napięciem powierzchniowym ze wszystkich cieczy . Woda o zbyt niskim napięciu powierzchniowym jest szkodliwa dla organizmów wodnych .Napięcie powierzchniowe wody obniżają takie substancje jak : substancje powierzchniowo czynne czyli wszystkie środki myjące, substancje humusowe, rozpuszczalniki organiczne itp.

Reasumując, o wodzie można powiedzieć, że :

• największa gęstość wody występuje nie w punkcie zamarzania - 0^oC, lecz w temperaturze 3,98^oC,

• ciepło właściwe wody jest bardzo duże w porównaniu z innymi cieczami,

• woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji,

• woda ma praktycznie największe napięcie powierzchniowe ze wszystkich cieczy .

Funkcja wody w organizmie .

Bilans wodny organizmu jest utrzymywany przez odpowiedni pobór wody ze środowiska i jej wydalanie . Organizm wielokomórkowy czerpie wodę z pożywienia (ludzie, zwierzęta) lub z gleby (rośliny) oraz utleniania biologicznego, którego jednym z produktów końcowych jest woda . Wydalanie wody jest regulowane w zależności od istniejących nadmiarów ; u ludzi i zwierząt przez nerki z moczem i w postaci potu, a u roślin – przez zmiany szybkości transpiracji czyli utratę wody na skutek parowania, zachodząca głównie przez tzw. aparaty szparkowe znajdujące się w epidermie czyli skórce liści . W wyniku transpiracji w górnych częściach rośliny wytwarza się siła ssąca, powodująca ciągły przepływ wody z rozpuszczonymi solami mineralnymi z korzeni . W poszczególnych komórkach bilans wodny jest utrzymywany na zasadzie ciśnienia osmotycznego, wynikającego ze stężeń substancji rozpuszczonych w cytoplazmie podstawowej czyli części komórki znajdującej się na zewnątrz jądra komórkowego .

Woda pełni w organizmie wielokomórkowym następujące funkcje :

• rozpuszczalnika

• czynnika umożliwiającego wymianę ciepła

• czynnika transportującego substancje między poszczególnymi tkankami . Dzięki dipolarnemu charakterowi cząsteczki wody istnieje możliwość przeprowadzenia do roztworu substancji o charakterze jonowym i polarnym np.: kwasów, zasad organicznych i nieorganicznych ich soli oraz pochodnych (aminokwasów i białek), a także innych związków organicznych .

Zanim odkręcisz kran .

Woda jako podstawowe źródło zaopatrzenia ludności powinna spełniać ściśle określone warunki określone odrębnymi przepisami prawnymi . Przede wszystkim woda, którą czerpiemy z naszych kranów powinna się charakteryzować następującymi własnościami :

• powinna być klarowna ,bezbarwna i orzeźwiająca w smaku ;

• nie może zawierać składników szkodliwych dla zdrowia ludzkiego ,a także nadmiernej ilości związków żelaza ,manganu ,wapnia i magnezu ;

• nie może zawierać bakterii chorobotwórczych ,pasożytów zwierzęcych oraz ich larw i jaj .

Pożądane jest również, aby woda zawierała odpowiednie ilości składników potrzebnych dla organizmu ludzkiego, jak jod i fluor .

celu określenia substancji zawartych w wodzie przed dopuszczeniem jej do użytku należy przeprowadzić szereg badań fizyko-chemicznych, które polegają na określeniu pewnych cech składników, na podstawie których można odpowiedzieć na następujące pytania :

• jaki jest charakter i skład wody oraz jej przydatność do ściśle określonego celu ;

• czy badana woda odpowiada wymaganiom higieniczno – sanitarnym ;

• czy woda nie zawiera składników szkodliwych dla zdrowia ;

• jak przebiega stosowany proces uzdatniania wody .

• badanie sanitarne skrócone

• badanie sanitarne rozszerzone

• badanie sanitarne pełne

Badanie sanitarne skrócone wykonywane jest w stacjach wodociągowych ( oraz w punktach kontrolnych ) przy rutynowej kontroli jakości wody do picia i na potrzeby gospodarcze . Obejmuje ono oznaczenie : barwy, mętności , zapachu, odczynu , wolnego CO_{2 ,} zasadowości , twardości , żelaza manganu, chlorków , amoniaku , azotynów , azotanów , utlenialności . Dodatkowo oznacza się również zawartość chloru pozostałego lub ozonu .

Badanie sanitarne rozszerzone ma na celu ustalenie przydatności wody do picia i potrzeb niektórych przemysłów .Zakres jego obejmuje : badanie sanitarne skrócone oraz oznaczanie suchej pozostałości ( ogólnej ,mineralnej, straty przy prażeniu ) i siarczanów . W przypadku określania przydatności wody do zasilania kotłów wysokoprężnych oznacza się również związki krzemu .

Badanie sanitarne pełne wykonuje się w celu poznania ogólnego fizyko-chemicznego wody przeznaczonej do celów wodociągowych . Zakres obejmuje analizę rozszerzoną ,oznaczenie zawartości fluorków i metali ciężkich . W przypadku wód powierzchniowych dodatkowo oznacza się zawartość azotu organicznego ,fosforanów oraz stężenie zanieczyszczeń specyficznych, doprowadzanych do odbiorników ze ściekami przemysłowymi .

Jak już wcześniej wspominałem woda, z którą mamy do czynienia na co dzień, jest rozcieńczonym roztworem rozmaitych domieszek niejednokrotnie definiowanymi jako jej zanieczyszczenia . Domieszkami wody są :

• sole

• gazy

• substancje organiczne i nieorganiczne

• drobnoustroje

Związki organiczne wytwarzane w drodze biosyntezy i związki syntezowane przez człowieka znajdujące się w środowisku wodnym można odróżnić metodą pomiaru węgla radioaktywnego . Mianowicie związki organiczne sztucznie wytwarzane są w znacznej części pochodnymi substancji występujących w węglu i ropie naftowej , które nie zawierają węgla radioaktywnego C 14 . Natomiast w związkach organicznych powstających obecnie w przyrodzie występuje C14 . Pomiar polega na wyekstrahowaniu substancji organicznych z wody i oznaczeniu zawartości C14 .

Źródła substancji organicznych w wodzie .

Rozróżnić można następujące źródła powstawania substancji organicznych w wodzie :

• Substancje naturalne . Podstawową grupą substancji naturalnych w wodach i osadach dennych są substancje humusowe ,które stanowią 60-80% całkowitej masy substancji organicznych . Związki te nie są całkowicie usuwane w trakcie uzdatniania wody i tworzą podczas chlorowania wody wiele produktów utleniania , z których najistotniejsze są haloformy .

• Ścieki przemysłowe i miejskie . Ścieki zawierają wiele naturalnych i syntetycznych związków organicznych . Do substancji syntetycznych najczęściej występujących należy zaliczyć : węglowodory alifatyczne i aromatyczne tj. benzen, fenole, WWA , halogenowane związki alifatyczne , alicykliczne i aromatyczne, pestycydy chloroorganiczne , polichlorowane bifenyle ( PCB ) i ftalany .

• Spływy powierzchniowe . Spływy z pól uprawnych zawierają pestycydy . Tereny miejskie i drogi dostarczają wiele różnych substancji , takich jak węglowodory alifatyczne i aromatyczne , WWA , kwasy tłuszczowe , ketony, ftalany . Źródłem substancji organicznych są także spływy z hałd odpadów i wysypisk śmieci .

• Opady atmosferyczne . Na skutek parowania z powierzchni terenu , spalania węgla i ropy naftowej oraz emisji z zakładów przemysłowych , głównie chemicznych , wody deszczowe zawierają wiele substancji organicznych tj. WWA , PCB , pestycydy chloroorganiczne , węglowodory chlorowane niskocząsteczkowe , plastyfikatory i rozpuszczalniki .

• Związki organiczne powstające przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków . Podczas chlorowania wody i ścieków powstaje wiele halogenowanych i niehalogenowanych produktów utleniania . W procesie tym główną rolę odgrywają substancje humusowe . Dodawanie koagulantów przy uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków zaliczane jest również jako wprowadzanie zanieczyszczeń do wody . Koagulanty zawierają często takie substancje uboczne jak monomery akryloamidowe .

• Zbiorniki wodne jako źródło powstawania związków organicznych . Związki organiczne są wytwarzane w wodach powierzchniowych ze związków mineralnych przez organizmy autotroficzne w procesie fotosyntezy przez rośliny zielone i bakterie oraz w procesie chemosyntezy . Również w wyniku przemian metabolicznych w organizmach wodnych do wody są wprowadzane różnorodne substancje . Rośliny wydzielają do wody węglowodany , kwasy organiczne , aminokwasy , aminy , polipeptydy, witaminy, fenole i in.

Substancje nieorganiczne .

W wodzie, obok substancji organicznych występują również substancje nieorganiczne .

Podział na występowanie w wodzie substancji organicznych jak i nieorganicznych nie jest ścisły , ponieważ wiele związków nieorganicznych wchodzi w połączenia z substancjami organicznymi W środowisku wodnym w zachodzących procesach biologicznych i biochemicznych związki nieorganiczne ciągle są przekształcane w związki organiczne, a związki organiczne są rozkładane do związków nieorganicznych .

Charakterystyka niektórych substancji zawartych w wodzie .

• żelazo – w małych stężeniach pierwiastek niezbędny do życia . Duże stężenia zmieniają smak wody . Dopuszczalne stężenie w wodzie do picia wynosi 0,5 mg/l .

• mangan – pierwiastek niezbędny do życia zwierzętom . Braki manganu mogą powodować chorobę zwaną chlorosis . Duże stężenia są toksyczne . Dopuszczalne stężenie w wodzie dopicia wynosi 0,1 mg/l .

• sód – w małych stężeniach jest niezbędny do życia . W dużych dawkach jest szkodliwy ; na przykład dawka 1 g NaCl na 1kg ciała może być śmiertelna dla małych dzieci . Duże stężenia też są szkodliwe, szczególnie dla osób z chorobami serca i nerek . Dopuszczalne stężenie w wodzie do picia wynosi 200 mg/l .

• Wapń – jest podstawowym pierwiastkiem stanowiącym o twardości wody i z tego powodu duże jego stężenia są niepożądane w wodzie użytkowanej przemysłowo i w gospodarstwie domowym . Wapń w wodzie do picia nie ma większego znaczenia higienicznego. Istnieją jednak opinie, że duża zawartość wapnia może powodować reumatyzm, a małe stężenia choroby serca, krzywicę, osłabienie zębów . Ilość wapnia spożywanego wraz z wodą do picia jest małą częścią diety człowieka .

• Magnez – wraz z wapniem powoduje twardość wody . Magnez w małych stężeniach jest nieszkodliwy dla organizmów żywych . Niedobór magnezu w organizmie może powodować wzrost zachorowań na choroby nowotworowe . Przy większych stężeniach (powyżej 250 mg/l) nadaje on wodzie gorzki smak . Woda zawierająca magnez o stężeniu powyżej 100 mg/l może działać przeczyszczająco . Siarczan magnezowy (sól gorzka) jest stosowany w medycynie .

• Arsen – powszechnie występuje w środowisku, znajduje się w roślinach i zwierzętach . Tworzy związki organiczne i nieorganiczne o różnym stopniu toksyczności . Związki arsenu są uznawane za toksyczne, jednak w określonych dawkach są stosowane w medycynie . Toksyczność arsenu zależy od jego wartościowości i od postaci, w której występuje . Związki As³⁺ są bardziej toksyczne niż związki As⁵⁺ . Najbardziej toksyczny jest arsenowodór AsH₃ . Dopuszczalna zawartość arsenu w wodzie pitnej wynosi 0,05 mg/l .

• Ołów – działa toksycznie na organizm człowieka . Zastępuje on wapń, co może prowadzić do dużych stężeń ołowiu w układzie kostnym . Dopuszczalne stężenie ołowiu w wodzie do picia wynosi 0,05 mg/l .

• Rtęć – wykazuje dużą toksyczność w stosunku do organizmów wodnych . Związki rtęci są silnie trujące dla roślin . W rybach rtęć występuje głównie w postaci połączeń metylowych . Okres półtrwania metylortęci w rybach wynosi 600¸ 1200 dni . Ze względu na zagrożenie człowieka ustalono dopuszczalne stężenia rtęci w mięsie ryb 0,5 mg/kg . Związki rtęci należą do bardzo silnych trucizn dla człowieka . Dopuszczalne stężenie rtęci w wodzie do picia wynosi 0,001 mg/l .

• Azotany – w dużych stężeniach są niebezpieczne dla zdrowia, głównie dla niemowląt, powoduje u nich sinicę – methemoglobinemię .

Woda jest substancją niezwykłą, bardzo cenną i niezastąpioną, a jej występowanie na Ziemi jest gwarantem życia oraz wszelkiego rozwoju w środowisku przyrodniczym. Ważne jest, aby użytkownicy tego daru natury mieli świadomość, że niewłaściwe gospodarowanie naturalnymi zasobami wodnymi może doprowadzić do ich nieodwracalnej degradacji, a w konsekwencji spowodować zminimalizowanie ilości źródeł wody przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze.

_______________________

Andrzej MIZERA - absolwent Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki.

<<WSTECZ