APA - Structura si proprietatile fizice

APA     

              APA este una dintre cele mai raspandite substante in natura, acoperind aproximativ 4/5 din suprafata globului, se gaseste in toate starile de agregare, provine din combinarea

izotopilor   O,  O,  O cu  H,  H si are compozitia masica H:O de 1:8, respectiv 11,1%H si 88,9% O

             Structura si proprietatile fizice .In molecula de apa, nucleele celor doi atomi de hidrogen formeaza cu nucleul atomului de oxigen un unghi de 104s54´.Aceasta structura se poate explica, admitand hibridizarea sp³ a atomului de oxigen. Din cei 4 orbitali hibrizi sp³ echivalenti a atomului, doi formeaza legaturi σ cu atomii de hidrogen (dH-O=0,099 nm), iar ceilalti doi formeaza sunt ocupati fiecare cu cate o pereche de electroni neparticipanti.

              Unghiul HOH este mai mic decat 109s28´ datorita influentei exercitate de perechile neparticipante. Acestea contribuie si la polaritatea moleculei(μ=1,85D), reprezentand polul negativ, in timp ce atomii de hidrogen foarte slab ecranati reprezinta polul pozitiv. Polaritatea mare a moleculeide apa este determinata in principal de valoarea momentului electric al legaturii O-H, datorita diferentei mari de electronegativitate a celor doua elemente(X =3,5; XH=2,1; X -XH=1,4), ca urmare electronii de legatura sunt deplasati spre nucleul oxigenului.

Pentru ecranarea sarcinilor,protonii atrag perechile de electroni neparticipanti de la atomii de oxigen ai moleculelor de apa vecine, realizand astfel legaturi de hidrogen, nesimetrice-bicentrice care in stare excitata pot permite transferul protonului de la o molecula de apa la alta cu formare de ioni H O  si HO‾.

              Avand molecula puternic polara, apa este un bun solvent, capabil sa functioneze ca donor de electroni.In stare lichida si de gheata, moleculele de apa sunt asociate prin legaturi de hidrogen, a caror existenta face ca apa sa prezinte unele proprietati anormale in raport cu masa moleculara.Astfel, densitatea apei in loc sa scada continuu cu temperatura, asa cum se intampla la majoritatea lichidelor, are valoarea maxima la 277 K, ρ=1,000kg·dmֿ³ deoarece la aceasta temperatura numarul legaturilor de hidrogen este maxim.La 273K, apa se solidifica si volumul creste cu 9%, iar la 373 K apa trece in stare de vapori, marindu-si volumul de aproximativ 1700 ori.Intervalul de temperatura anormal de mare, in care apa se afla in stare lichida(273-373K) este datorat tot legaturilor de hidrogen. Valoarea mare a caldurii specifice (4,18kJ ·kg ֿ¹) face ca temperatura apelor sa se schimbe mai lent decat a solului. De asemenea, caldura latenta de vaporizare este anormal de mare 43,8kJ ·kg ֿ¹·molֿ¹. Apa ionizeaza foarte putin α=1/560·10 ) si din aceasta cauza are o conductibilitate electrica foarte mica,Kω=1,04·10ֿ¹la 298 K.

                Apa are un rol important in viata omului si, pe langa intrebuintarea ei in gospodarie, o mare cantitate de apa se foloseste in agricultura, transport si industrie.

               Proprietati Chimice. Molecula de apa este stabilita, disocierea in elemente:

H O↔H +½O incepe la temperaturi peste 1273K , echilibrul fiind deplasat spre stanga pana la temperaturi T=3273K. Cu toate acestea apa participa la numeroase reactii acido-bazice: de oxidare, reducere, aditie ,astfel:

     ►reactioneaza - comportandu-se ca oxidant - la temperatura obisnuita cu substante care prezinta afinitate fata de oxigen si care au calduri de formare a oxizilor sau hidroxizilor mai mari decat ale apei; elementele sunt oxidate, iar din reactie rezulta H ; cu cat afinitatea pentru oxigen a substantei elementare este mai mare, cu atat temperatura la care se petrece reactia este mai joasa;

      ►reactioneaza - comportandu-se ca reducator - cu substante care prezinta afinitate fata de hidrogen;

      ►reactioneaza cu sarurile - provenite din acizi tari si baze slabe, acizi slabi si baze tari, acizi slabi si baze slabe - cu hidrurile, halogenurile, sulfurile, azoturile, fosfurile, carburile ionice;

      ►reactioneaza cu oxizii bazici si acizii formand hidroxizi si oxoacizi.

       Apa are proprietatea de cataliza numeroase reactii, cum sunt cele ale halogenurilor cu oxigenul, a hidrogenului sulfurat cu oxizii de azot, apa hidrogenului cu clorul la lumina si altele. Substantele capabile sa fixeze un numar de molecule de apa si avand o compozitie chimica definita se numesc hidrati.

      Ape Industriale.Prin ape reziduale se inteleg apele destinate diferitelor exploatari industriale : alimentarea cazanelor cu abur, racirea masinilor , incalzire de instalatii, diferite procese de fabricatie etc.

         Apa necesara alimentarii cazanelor cu abur nu trebuie sa contina substante agresive care ar ataca peretii cazanelor si sa nu fie dura ca sa nu depuna piatra.

         Piatra de cazan este formata din substante minerale, greu solubile, din apa, mai ales carbonati de calciu si de magneziu si sulfat de calciu, care, in timpul vaporizarii apei din cazane, se depun pe peretii acestora sub forma unor crustatii. Piatra depusa impiedica transmiterea caldurii si de aceea mareste consumul de combustibil necesar vaporizarii apei.(De exemplu, un strat de piatra de cazan de 3 mm grosime necesita un consum de combustibil mari cu 20%.)De asemenea, incalzirea cazanului nemaifiind uniforma, peretii nu se mai dilata uniform, ceea ce poate provoca fisuri chiar explozia cazanului. De aceea, inainte de intrarea apei in cazan se inlatura din el substantele care formeaza piatra, numita operatie de dedurizare.

         Si apa folosita in alte industrii trebuie sa indeplineasca anumite conditii de puritate, care depind de specificul industriei in care este utilizata. Astfel, de exemplu, apa necesara la preprararea amoniacului sau a acidului clorhidric trebuie sa fie perfect pura ; in industria medicamentelor se necesita apa foarte pura; apa intrebuintata in industria zaharului trebuie sa indeplineasca conditiile unei ape potabile, iar duritatea ei sa fie cat mai mica, deoarece continutuul de saruri inrautateste procesul de cristalizare a zaharului; la fabricare berii; in spalatoriile textile trebuie folosite ape cu duritate foarte scazuta, deoarece sarurile de calciu si de magneziu, la spalare cu sapun, formeaza sapunuri insolubile in apa, care murdaresc tesuturile.

       Purificarea apelor industriale se poate face prin diferite procedee: distilarea, tratamente chimice, sau schimbatori de ioni.

        Ape Reziduale. In Legea apelor nr.8/1974, apele uzate(reziduale)sunt definite astfel:"apele carora prin utilizare li s-au modificat calitatile chimice, biologice sau fizice, inclusiv temperatura sau radioactivitatea; apele de precipitatii sau din alte surse, care, fara a fi facut obiectul unei folosiri, s-au incarcat cu substante straine, provenite de la activitati sociale si economice; apa de mina si de zacamant; orice alte ape care au facut obiectul unei folosiri".

Una din problemele cele mai dificile in domeniul gospodaririi apelor a devenit protectia calitatii acestora, prevenirea si combaterea poluarii lor. In conditiile societatii moderne industrializate, in urma utilizarii extrem de diversificate a apei, aceasta se incarca in mod inevitabil cu o mare diversitate de substante, cu actiuni mai mult sau mai putin nociva. Odata cu cresterea cantitatii de apa utilizata in economie a sporit si volumul de ape uzate, restituite surselor naturale, provocand deteriorarea calitatii acestora si agravarea concomitenta a balantei cantitative. Se considera ca intr-o tara industriala, situata in zona temperata, cca 80% din apa folosita se reintoarce, mai mult sau mai putin impurificata, in circuitul natural sub forma de apa uzata.In R.S. Romania, totalul apelor uzate evacuate in rauri a ajuns la peste    10 000 Km³/an din care cca 5500km³ reprezinta apa de racire, poluate termic iar restul, apelor uzate poluate chimic, mineralier, biologic si bacteriologic, care necesita epurare.

            Clasificarea apelor uzate se poate face dupa diferite criterii: dupa provenienta, dupa compozitie, dupa procedeul preferential de epurare, dictat de natura fizico-chimica a impurificatorilor, dupa natura poluantilor, dupa gradul de incarcare, dupa gradul de agresivitate etc. Dupa provenienta, apele uzate se pot clasifica in : ape uzate menajere, care reprezinta apa care se evacueaza dupa ce au fost utilizate pentru nevoi gospodaresti in locuinte si unitati de folosinta publica (pregatirea alimentelor, spalarea imbracamintii, instalatii sanitare etc.);apele uzate industriale, evacuate dupa folosirea apei in instalatii industriale (apa de proces, apa de racire, apa de spalare), insotite aproape intotdeauna si

de ape uzate de la grupurile sanitare, curatirea spatiilor de lucru si a echipamentului in cadrul intreprinderiilor si accidental si de ape pluviale de pe platforma respectiva; ape uzate orasenesti, care corespund amestecurilor de ape uzate menajere si industriale, cat si a apelor folosite in scopuri publice(spalatul strazilor), colectarea intr-un sistem comun de canalizare.

           Dupa compozitie, apele uzate impurificate preponderent cu componenti organici fermentabili, putrescibili(ape menajere, apa din industria alimentara, apa din industria pielariei, din spalatorii); ape uzate impurificate cu componenti organici toxici(apele de la generatoarele de gaze, distilerii de lemn, uzine cocsochimice, industria organica de sinteza); ape uzate impurificate preponderent cu componenti organici( apele din industria chimica anorganica, industria materialelor de constructii, industria miniera); ape impurificate mixt, cu componenti organici si anorganici din industria chimica, combinate cu profil mixt, din industria petrochimica, din industria usoara); ape uzate radioactive, care apar in urma folosirii apelor in tehnica nucleara.

           Purificarea Apelor. Dupa scopul folosirii ei, apa trebuie sa indeplineasca anumite conditii de puritate.

         Apa pentru lucrari de laborator. La efectuarea lucrarilor de analiza cum si la majoritatea sintezelor este necesara folosirea unei ape pure, intrucat prezenta altor ioni decat ai apei poate impiedica multe din reactiile chimice urmarite.

          Purificarea apei in laborator se face prin diferite procedee.   

         Distilarea. Procedeul are drept scop indepartarea substantelor dizolvate si consta in fierberea apei in recipiente de sticla sau de metal urmata de condensarea vaporilor in sisteme de racire.

           Pentru prepararea unor solutii speciale sau efectuarea unor sinteze deosebit de fine, se foloseste apa dublu distilata.

            Deionizarea. In mod curent, pentru obtinerea unei ape deionizate se folosesc schimbari de ioni.

             Electroosmoza. Prin aplicarea acestui procedeu se obtine o apa de inalta puritate.

                 Duritatea Apei. Dedurizarea. Posibilitatea de utilizare a apei intr-un anumit scop este determinata de compozitia ei chimica, de caracteristicile organoleptice, fizice, biologice, si bacteriologice. Astfel un continut mare de ioni de Fe(II,III) si Mn(II)-peste 0,3mg/l- ii modifica caracteristicile organoleptice, favorizand dezvoltarea de bacterii feruginoase si manganoase, formarea de precipitate; un continut mare de ioni Ca(II) si Mg(II) este defavorabil proceselor de incalzire-racire, pentru acumulatori, si apelor de cazan, care depun o crusta aderenta "piatra de cazan". O astfel de crusta care se depune pe peretii interiori in cazanele de vapori este rau conductoare de caldura, micsoreaza transferul termic si in mod corespunzator randamentul termic al instalatiilor.

            Unul dintre cei mai importanti indici de calitate a apelor este duritatea, proprietate transmisa apei de continutul in saruri solubile de Ca(II) si Mg(II) (hidrogenocarbonati si saruri ale acizilor tari). In sens mai larg duritatea este determinata de toti cationii, exceptand metalele alcaline.

              Hidrogenocarbonatii de calciu si magneziu determina duritatea temporara(dt), numita astfel pentru ca se poate inlatura prin incalzirea apei la temperaturi de 363-373 K:

                   (Ca,Mg)(HCO (Ca,Mg)CO + CO + H O

               Sulfatii si clorurile, azotatii s.a. de calciu si magneziu sunt stabili la temperatura, de aceea determina duritatea permanenta (dp). Suma duritatii temporare si permanente formeaza duritate totala (dT

                Pentru a putea fi utilizate in industrie, apele naturale se purifica prin diferite procedee: fizice(filtrarea, pentru indepartarea suspensiilor argiloase, nisipului fin si coloizilor), chimice(tratarea cu precipitanti ai substantelor solubile care determina duritatea apei) si fizico-chimice (demineralizarea cu schimbatori de ioni s.a.)

               Dedurizarea reprezinta o etapa importanta in cadrul procesului complex de tratare a apelor si consta in indepartarea din apa a sarurilor de Ca(II) si Mg(II).

                Dedurizarea prin incalzire(la 363-373 K) este partiala, deoarece se elimina numai duritatea temporara, deci cea provenita din hidrogenocarbonati de calciu si magneziu. Metoda nu este economica, deoarece necesita un consum mare de energie si nu asigura o dedurizare totala.

                 Dedurizarea cu agenti chimici include mai multe metode; dedurizarea cu un amestec de hidroxid de calciu si carbonat de sodiu(metoda var-soda). Metoda cu fosfat trisodic s.a.

                  Dedurizarea cu schimbatori de ioni este o metoda moderna si eficace realizand o duritate reziduala de de 0,1 d. In acest scop se utilizeaza schimbatori de ioni, in special rasinile cationice. Datorita schimbului ionic rasina trece in cationit de calciu si magneziu, iar apa capata un pH acid. In timpul dedurizarii, la reactiile de schimb participa si alti cationii existenti in apa si din aceasta cauza coloanele de cationiti sunt numite si flitre cationice. Pentru a putea fi utilizata, apa este neutralizata cu NaOH sau este trecuta peste un schimbator de anioni.

                    Cationitii se regenereaza cand in apa tratata duritatea este mai mare de 0,1-0,2d, iar anionitii, cand apa incepe sa prezinte un pH slab acid. In practica industriala cationitii si anionitii sunt dispusi separat, in coloane de diferite marimi(in functie de volumul de apa)

                    In exploatarea filtrelor cationice si anionice se succed urmatoarele faze: afinarea, care impiedica tasarea masei cationice sau anionice, regenerarea in care masele schimbatoare de ioni isi recapata capacitatea de schimb, spalarea in care se indeparteaza solutiile cu care s-a facut regenerarea si dedurizarea-demineralizarea.

                   Apa grea-D O.  Apa obisnuita contine in proportie mica atat oxid de deuteriu sau apa grea, cat si HDO.

            Faptul ca Dm/m a izotopilor  H si  H este mult mai mare decat pentru orice alt element mixt, justifica deosebirile in proprietatile fizice si chimice ale acestora si ale compusilor lor.

        Astfel apa grea are constante fizice diferite de cele ale apei obisnuite.

            Apa grea se obtine prin electroliza apei in prezenta acidului sulfuric sau cu NaOH, concetrandu-se in fractiunea nereactionata.

            Obtinerea are la baza supratensiunea mai mare a D  fat de H , ceea ce impiedica electroliza apei grele.

            Apa grea are proprietati chimice asemanatoare cu ale apei, dar este reducator mai puternic. In apa grea pura unele organisme vii mor(pesti si alte animale acvatice); o concentratie < de 32% este suportata normal, iar peste 40% mortala.

           Se intrebuinteaza in tehnica nucleara ca moderator de neutroni(substante care fara sa absoarba neutronii rezultati din reactia de fisiune ii franeaza prin ciocniri elastice).

                     Apa Higroscopica. Multe substane tinute in aer retin apa din atmosfera, fie sub forma de combinatii chimice, fie absorbita la suprafata lor. Apa absorbita pe suprafata si in porii unei substante care o retine, ci de suprafata acesteia. De aceea, substantele in pulbere, mentinute la aer, se umezesc mai usor decat cele in bucati mari.

             Apa higroscopica poate fi indepartata prin uscarea substantelor la o temperatura de 105-110 C, in etuva(in laborator) sau in cuptoare(in industrie).

              Apa Tehnologica. Este utilizata direct in procesele tehnologice pentru obtinerea diverselor produse si nu i se impun intotdeauna conditii prea severe de calitate. Dintre cazurile de exceptie ne amintim: apa din industria alimentara(trebuie sa corespunda cerintelor unei ape potabile), apa utilizata in industria celulozei, hartiei si industriei textile(turbiditatea redusa, continut scazut de fier si mangan, duritatea redusa) s.a. In functie de tehnologiile care o utilizeaza si de gradul de recirculare, consumurile specifice de apa pot varia mult. In scopul reducerii de apa se impune o utilizare rationala, manifestata sub doua aspecte: reutilizarea si recirculararea, aplicate dupa o prealabila epurare si o eventuala recuperare a energiei termice.

             Apa de racire. Este utilizata pentru mentinerea temperaturilor de regim ale proceselor si pentru racirea directa a instalatiilor sau a unor purtatori de caldura. Cei mai mari consumatori de ape racire sunt centralele termoelctrice.  In functie de cantitatea de apa diponibila se poate adopta unul din sistemele de racire:deschis, mixt(semideschis) sau inchis.

Sistemul deschis necesita cantitati mari de apa, deoarece implica deversarea apelor, care a preluat caldura, in emisar dupa o prealabila racire. In sistemul inchis, apa care a preluat caldura este racita si recirculata, fara contact cu aerul. Cele mai utilizate sunt insa sistemele mixte, care implica recircularea apelor dupa racirea cu aer atmosferic in turnuri de racire. In aceste caz are loc o concentrare in saruri, datorita pierderilor de apa(prin evaporare, antrenare de picaturi si purja) si este necesara o completare cu apa de adaos tratata. Apa din circuit trebuie sa indeplineasca indicii de calitate prevazuti de normative pentru evitarea unor efecte nedorite: depuneri microbiologice, depozite de cruste, depozite de namol de alta natura, coroziunea etc. In acest scop temperatura apei trebuie sa fie cat mai scazuta, continutul de saruri de calciu si de magneziu, de suspensii si materii organice cat mai redus, iar actiunea coroziva sa fie neglijabila. La sistemul deschis, crustele de carbonati sunt mai putin frecvente, spre deosebire de sistemele de recirculare unde formarea lor este dependenta atat de continutul de bicarbonati, cat si de pierderea de CO . Pentru aducerea apei la conditiile din circuitele de racire se practica diferite procedee de racire: dedurizarea decarbonatarea cu var sau cu schimbatori de ioni, injectarea de acid pentru reducerea duritatii temporarea si adaosul de antiicrustanti. Apa din circuit se conditioneaza si prin dozare cu inhibitori de coroziune si bioacizi.

                Ape meteoritice. Constituie rareori surse de alimentare cu apa. Compozitia lor depinde de puritatea atmosferei, de durata si intensitatea precipitatilor, de conditiile locale. Dintre principalii impurificatori se pot mentiona: gaze dizolvate (CO , O ,N ), suspensii antrenate din atmosfera( polen, spori, bacterii, argila, silice etc.), iar in zonele industrializate cantitati variabile de impurificatori specifici( oxizi de azot, funingine etc.). Cu cresterea duratei precipitatilor, concentratiile unora dintre impuritati scad, astfel ca apa ploilor de lunga durata este mai curata.

                 Ape de suprafata dulci.  Sau ape continentale constituie principala sursa de de apa datorita cantitatilor mari disponibile.  Compozitia lor este variata si variabila, fiind influentata de o serie de factori cum sunt: factori climaterici, geomorfologici, natura rocilor si a albiei, lucrari hidrotehnice, afluentii si precipatiile, factori antropogeni, fenomene fizice, chimice si biologice care au loc etc. Compozitia apelor curgatoare(rauri, fluvii) depinde in particular de preponderenta apei care le alimenteaza: ape subterane(izvoare) cu compozitia constanta, debite variabile, mineralizatie ridicata etc.; ape meteorice cu compozitie si debite variabile si ape reziduale cu compozitie si debite in functie de provenienta. Primavara si toamna predomina apele meteorice si in consecinta scade mineralizatia si creste cantitatea de suspensii, mai ales in perioada viiturilor. Iarna, in perioada de etiaj (ape mici) mineralizatia este maxima si apele sunt mai limpezi; apele reziduale au in general o actiune specifica, care depinde atat de compozitia, cat si de debitul lor in raport cu debitul apelor curgatoare( grad de dilutie). Reactiile chimice, procesele fizice si ciclul vietii biologice cauzeaza modificari permanente ale apelor de suprafata curgatoare, variind canitatea de substante organice,oxigen. 

        Apele statatoare dulci(balti, lacuri de acumularare). Au compozitia mai puternic influentata de fenomenele biologice, datorita namolului sedimentat in cantitati mult mai mari. Volumul mare de apa asigura o constanta a compozitiei, variatii mai mari fiind provocate de afluenti, de agitarea la suprafata(micsorand duritatea temporara), precum si de dezvoltarea in anumite perioade a unor alge verzi. Dintre materiile organice prezinta importanta substantele humice, provenite din descompunerea plantelor si a turbei. Apele curgatoare si statatoare reprezinta principala sursa de apa datorita debitelor asigurate. Echilibrul biologic caracteristic acestor ape este mereu pertubat, in conditiile unei poluari tot mai accentuate, astfel incat autoepurarea nu asigura calitatea necesara pentru diversele folosinte.

           Apa marilor si oceanelor este puternic mineralizata, cauza fiind de natura originara. Marile interioare au concentratie in sarurifie mai mari(M. Mediterana:39,49 g/l), fie mai mici ( M. Neagra 17.2g/l din care majoritatea NaCl)decat a oceanelor. Marile interne si unele lacuri sarate pot prezenta salinitati mai mari. In perspectiva, apa marilor si oceanelor reprezinta o sursa importanta de apa, in prezent metodele de desalinizare nu pot concura inca din punct de vedere economic cu tratamentele apei din sursele de apa dulce.

             Apele subterane sunt alimentate in proportie de 99% din apa de infiltratie si reprezinta o sursa foarte convenabila de apa potabila, in cazul unor rezerve suficient de mari. In urma proceselor fizico-chimice si in mai mica masura a celor biologice, acestea prezinta caracteristici destul de putin variabile in timp. Cantitatea de oxigen este redusa, in schimb dioxidul de carbon atinge concentratii de la 15 la 100 mg/l; gradul de mineralizare si duritate este in general ridicat; temperatura este relativ constanta. Compozitia apei subterane si in special a celor freatice poate suferi tranformari importante in urma activitatii umane.

             Apa potabila. Din consumul total de apa, apa utilizata de populatie, apa potabila, ocupa o pondere mica, dar de importanta majora. Livrarile si consumul de apa potabila au crescut odata cu dezvoltarea urbanizarii si cresterea nivelului de trai al populatiei. Multe unitati urbane de gospodarie comunala livreaza apa potabila pentru unitati industriale, economico-sociale etc. In functie de aceste situatii nivelul de utilizare a apei potabile variaza foarte mult de la tara la tara(3-700 l/locuitor/zi). Alimentarea cu apa si canalizare constituie criterii de baza ale confortului contemporan urban. Sub acest aspect este semnificativ faptul ca in tara noastra, fata de 101 localitati racordate la retelele de alimentare cu apa in 1950, numarul acestora a ajuns la 1400 in 1980, reteaua de distributie a apei a sporit de la 3700 km la 18 000 km, iar cantitatea de apa potabila distribuita, de la 113mil.l la 2,4 mild. l.

              Apa potabila trebuie sa satisfaca cerinte de calitate superioare privind indicatorii fizico-chimici, biologici si bacteriologici. In marea majoritate a cazurilor, apele naturale trebuie supuse unor procedee de tratare pentru corectarea proprietatilor in concordanta cu limitele prevazute de standarde(in R.S. Romania- STAS 1342-77). Trataea este cu atat mai necesara cu cat se face apel in special la apa de suprafata, din ce in ce mai impurificate.

              Radioactiviattea apei este determinata de cauze naturale sau se datoreste poluarii si este conferita de prezenta elementelor U, Th, Ra, K s.a. La evaluarea intregului fond natural radioactiv, determinarile trebuie efectuate atat asupra apei, cat si asupra organismelor acvatice si asupra namolului, care acumuleaza in mod obisnuit izotopi radioactivi.