Caracteristicile apelor naturale

În natură, apa nu se găseşte în stare pură, ci conţine diferite cantităţi de substanţe din mediul

înconjurător datorită proprietăţii ei de a le dizolva. Apa din natură conţine:

►gaze dizolvate provenite în special din atmosferă dar şi din reacţiile chimice care au loc în apă

(O2, N2, CO2, SO2);

►substanţe în suspensie - resturi vegetale sau animale, substanţe minerale sub formă de pulberi

etc.;

►cationi (Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Na+, K+, NH4+ etc.) şi anioni (HCO3-, CO32-, SO4

2-, SiO32-,

Cl-, Br-, NO3-, NO2

- etc.)

Apele care conţin cantităţi mici de săruri se numesc ape moi, iar cele care conţin cantităţi mari

de săruri (în special săruri de calciu şi magneziu) se numesc ape dure.

Duritatea totală a unei ape - totalitatea bicarbonaţilor de calciu şi magneziu dizolvaţi, care

formează duritatea temporară, la care se adaugă totalitatea sărurilor calciului şi magneziului cu

unii acizi minerali (cloruri, sulfaţi), care formează duritatea permanentă.

Prin fierbere, duritatea temporară a apei dispare, deoarece bicarbonaţii de Ca şi Mg trec în

carbonaţi greu solubili în apă, ce se pot înlătura, dispărând astfel ca generatori de duritate.

Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O; Mg(HCO3)2 = MgCO3 + CO2 + H2O

Apa pură se obţine prin procedeul numit distilare sau prin sinteză din elemente.

Interacţiunile apei cu mediul înconjurător

Interacţiuni apă-atmosferă

În atmosferă vaporii de apă provin, în cea mai mare parte, din evaporarea apelor din mări, oceane şi gheţari.

Concentraţia acestora este dependentă de temperatura şi presiunea straturilor atmosferice şi se apreciază

prin umiditatea aerului.

Umiditate maximă [Torr sau g/m3] - cantitatea cea mai mare de vapori de apă care poate exista în aer la o

anumită temperatură.

Umiditate absolută [Torr sau g/m3] - cantitatea de apă conţinută efectiv în aer.

Umiditate relativă [%] - raportul dintre umiditatea absolută şi umiditatea maximă.

Punctul de rouă - temperatura la care începe condensarea vaporilor de apă. La această temperatură aerul este

saturat cu vapori de apă.

Umiditatea reprezintă un factor care diminuează difuzia poluanţilor deoarece împiedică mişcarea lor şi ca

urmare micşorarea concentraţiei acestora. Umiditatea crescută conduce la formarea ceţii. În zonele cu

poluare crescută ceaţa se formează frecvent deoarece vaporii de apă se condensează pe particulele

suspendate în aer chiar dacă temperatura aerului nu atinge punctul de rouă - particulele se răcesc mai

uşor decât aerul prin procesul de radiaţie. Picăturile de ceaţă absorb gaze (NOx, SO2, NH3, HCl)

reprezentând un mediu care favorizând procesele de oxidare.

Picăturile de ceaţă preiau poluanţii din zona în care se formează reprezentând un factor agravant de poluare.

Nucleele de condensare a picăturilor de apă se numesc aerosoli. Aerosolii conţin pe lângă

poluanţii gazoşi şi alţi compuşi care se depun pe suprafaţa Pământului. Dimensiunile

particulelor sunt cuprinse între 0,01μm şi 100μm.

Aerosolii primari sunt particule de praf sau fum iar cei secundari sunt formaţi din elemente în

fază gazoasă.

Aerosolii de dimensiuni mici conţin compuşi cu caracter acid sau neutru, în particular sulfaţi şi

azotaţi de amoniu. Aerosolii de dimensiuni mai mari au, în general, caracter alcalin şi sunt

formaţi din particule provenite din sol şi cenuşă.

Aerosolii în fază gazoasă din atmosferă se formează prin reacţii de tipul:

sau de tipul:

În acelaşi timp se poate forma un amestec de aerosoli:

H2SO4(g) + 2NH3(g) {(NH4)2SO4}aerosol

H2SO4(g) + NH3(g) {NH4HSO4}aerosol

HNO3(g) + NH3(g) {NH4NO3}aerosol

HCl(g) + NH3(g) {NH4Cl}(aerosol

H2SO4(g) + 2HNO3(g) + 4NH3(g) {(NH4)2SO4 2NH4NO3}aerosol

H2SO4(g) H2SO4(l)aerosol

{(NH4)2SO4 NH4NO3}aerosol {(NH4)2SO4}aerosol + 2HNO3(g) + NH3(g)

În condiţii de umiditate redusă sărurile de amoniu din aerosoli sunt în stare solidă, reacţiile putând fi

considerate ca reacţii de precipitare a compuşilor din faza gazoasă.

În condiţiile de umiditate ridicată aerosolii sunt transformaţi în picături de ceaţă.

Toate aceste reacţii sunt reacţii de neutralizare.

Dacă în atmosferă se găsesc atât acid sulfuric cât şi acid azotic, amoniacul neutralizează întâi acidul sulfuric.

Dacă în atmosferă:

faza lichidă devine acidă şi formele predominante de aerosoli sunt formate din sulfat acid de amoniu şi acid

sulfuric

Dacă în atmosferă:

faza lichidă are caracter neutru.

Între apă şi atmosferă există un schimb continuu de gaze şi substanţe volatile, la suprafaţa de separaţie

stabilindu-se un echilibru de absorbţie.

Îndepărtarea poluanţilor atmosferici de către apa de ploaie se bazează pe echilibrul între faza gazoasă şi cea

apoasă. În funcţie de solubilitatea lor substanţele au diferite concentraţii în apa de ploaie, zăpadă sau

ceaţă, concentraţii care sunt dependente de temperatură.

[NH3] < 2[SO42-]

[NH3] < 2[SO42-]>

1. Apa de mare ca sursă de aerosoli

Aproximativ 2% din suprafaţa oceanului este acoperită în permanenţă de valuri

acoperite cu spumă. În spumă, se formează şi se distrug bule de aer cu o rată de 106

bule/m2/s ce generează o cantitate mare de aerosoli. Cât de mare?

Apa de mare este responsabilă de producerea a aproximativ 1500 Tg (terragrame, 1012 g) aerosoli/an.

Mecanismul principal de formare al aerosolilor din apa de mare presupune:

A. formarea unor bule de aer mici (5-500 µm) ca urmare a acţiunii vântului;

B. dezintegrarea bulei prin spargerea peretelui aflat în contact cu aerul. Prin acest

proces se formează 1-10 aerosoli/bulă cu dimensiuni între 5-25 µm ce conţin 2-300

pg de sare de mare/aerosol;

C. spargerea bulei duce la ejectarea unei coloane de apă ce produce câteva picături

mari ce se transformă în aerosoli cu dimensiunile de 25-500 µm şi conţin 300 pg – 2

µg de sare de mare/aerosol;

D. evaporarea apei de mare şi formarea aerosolilor marini solizi. În principiu, aerosolii

marini au aceaşi compoziţie cu a apei de mare.

Principalele tipuri de aerosoli:

- aerosolii marini

- praful

- produsii de combustie

- hidrocarburile poliaromatice (poliaromatic hydrocarbons - PAHs)

2. Praful ca sursă de aerosoli

Cantitatea de aerosoli ce îşi are originea în praf este de 750 Tg aerosoli/an.

Aerosolii din praf apar ca urmare a procesului fizic de antrenarea a particulelor

solide de pe sol de către curenţii de aer. În mișcarea lor, particlulele se ciocnesc

reciproc sau cu solul şi îsi reduc dimensiunile. Compoziţia chimică a aerosolilor din

praf reflectă strict locul lor de formare.

Ex: vântul ce bate dinstre Sahara

(Harmattan) transportă nisip și praf din

deşert până în zone precum Cameroon

3. Procesele de combustie

Orice proces de combustie, fie natural fie antropic, produce alături de CO2

, H2O şi

substante particulate sub formă de funingine (carbon elementar) şi cenuşă

(cenusă rezultată din arderea cărbunilor contine numeroase elemente anorganice,

printre care şi S, Pb, Zn, Cr, Cd).

Cantitatea de aerosoli emişi depind în principal de condiţiile în care are loc

combustia. Dacă arederea are loc într-o cantitate insuficientă de O2

(aer) emisiile

de particule sunt mai mari => fum negru. Dacă arderile au loc într-o cantitate

suficientă de O2, emisiile sunt mai mici => fumul este alb (de ce?)

Incendiile forestiere sunt responsabile de eliberarea a aprox. 100 Tg

aerosoli/an, iar activităţile antropogene aprox. 50 Tg aerosoli/an.

4. Hidrocarburile poliaromatice (PAH)

Hidrocarburile poliaromatice sunt tot produsi de combustie ce contin 2 până la 8

inele aromatice condensate liniar, periferic sau angular. Sunt produşi în urma

arderii lemnului, cărbunelui si a altor combustibili cu C la temperaturi mici si intr-o

concentratie redusă de O2.

Piren

(inele pericondensate)Antracen

(inele condensate liniar)

1,2-benzfenantren

(inele condensate angular)

Au fost identificate aprox. 150 PAH până în prezent, majoritatea având efecte

carcinogene. PAH cu masă moleculară mică sunt volatile, iar cele cu masă mare se

regăsesc în particulele de funingine.

Interacţiuni apă-litosferă

Compoziţia apelor naturale este determinată de reacţiile care au loc la interfaţa apă-

sedimente.

Sedimente - materiale solide, organice şi anorganice, insolubile, transportate de ape.

Sedimentele au rol important în imobilizarea şi reintroducerea în circuit a unor specii

chimice. Ele provin din:

● eroziunea albiilor majore şi a terenului adiacent de către ape şi precipitaţii;

● produşii de metabolism ai vieţuitoarelor din mediul acvatic;

● precipitate rezultate în urma reacţiilor chimice etc.

Atacul mineralelor din roci de către apă se desfăşoară prin procese fizico-chimice la

interfaţa sedimente-apă:

► reacţii de dizolvare a unor substanţe chimice;

► reacţii de precipitare;

► procese de adsorbţie, absorbţie şi chemosorbţie;

► procese de schimb ionic;

► procese de oxido-reducere;

► reacţii biochimice.

Reacţii de dizolvare a unor substanţe chimice

►Dizolvarea simplă - fără schimbarea proprietăţilor mineralelor sau fără participarea altor substanţe, se întâlneşte rar

în natură. Mineralele de tipul cuarţului, clorurii de sodiu şi sulfatului de calciu suferă o dizolvare simplă.

►Dizolvarea prin hidratare - Hidratarea reprezintă pătrunderea apei în sistemul reticular al cristalelor.

Ex.:

- hidratarea anhidritului (CaSO4) conduce la obţinerea gipsului (CaSO4 x 2H2O)

- hidratarea sulfatului de cupru incolor (CuSO4) la sulfat de cupru de culoare albastră (CuSO4 x 5H2O) etc.

Numărul de molecule de apă care hidratează o sare este dependent de temperatură şi umiditatea atmosferică.

Pătrunderea apei în reţelele cristaline labilizează cristalele şi conduce la dizolvarea acestora.

►Dizolvarea prin hidroliză

Sărurile participă la reacţii de hidroliză în urma cărora rezultă compuşi slab disociaţi:

Procesele de hidroliză se petrec până la dizolvarea compusului.

CaCO3 + 2H2O = Ca(OH)2 + H2O + CO2

FeCO3 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2O + CO2

FeSO4 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2SO4

Al2(SO4)3 + H2O = 2Al(OH)3 + 3H2SO4

CuS + 2H2O = Cu(OH)2 + H2S

►Dizolvarea datorită pH-ului

pH-ul normal al apelor naturale este neutru. În cazul în care apele conţin acizi humici, acid carbonic,

hidrogen sulfurat sunt solubilizate rocile cu caracter bazic adică oxizi şi carbonaţi. Dacă apele conţin

carbonaţi alcalini şi alcalino-pământoşi sunt solubilizate rocile cu minerale care au caracter acid cum ar fi

sulfaţii şi azotaţii.

►Dizolvarea sub influenţa bacteriilor

Bacteriile descompun substanţele organice rezultând acizi organici.

Adsorbţia şi schimbul ionic

Particulele coloidale din apă (humus şi minerale argiloase) adsorb cationii K+, Na+, NH4+, Fe2+, Fe3+ şi

respectiv anionii Cl-, SO42-, PO4

3- etc. Este un proces asemănător celui care se petrece în particulele

coloidale de la suprafaţa solului, care au acţiune fertilizantă deoarece ionii sunt reţinuţi şi utilizaţi pentru

dezvoltarea plantelor.

Argilele, humusul şi turbele au capacitate ridicată de schimb ionic. La trecerea apei prin astfel de substrate

ionii de calciu sunt reţinuţi de către argile în schimbul ionilor de sodiu eliberaţi în ape. Dacă apele sunt

bogate în săruri de amoniu, iar argilele mai bogate în calcar , argilele reţin ionii de amoniu şi eliberează

în apă ionii de calciu. Când apele sunt bogate în ioni de potasiu se petrece acelaşi fenomen:

Faptul că terenurile calcaroase se decalcifiază când sunt inundate de apă de mare reprezintă o consecinţă a

schimbului ionic.

O argilă bazică poate schimba anionii determinând o creştere a alcalinităţii apei:

[Argila-Ca] + 2KCl = [Argila-K2] + CaCl2

[Argila-(OH)2] + 2K2HPO4 = [Argila-HPO] + 2KOH