1. Voda jako kapalina a základní rozpouštědlo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.1 Voda na Zemi

Molekuly vody byly k dispozici už v materiálu, z něhož se tvořila naše planeta Země. Teprve po vychladnutí tělesa před přibližně 4 miliardami let (ale možná i dříve) se objevila voda na Zemi v kapalném skupenství a mohl vzniknout život.

Voda je nejběžnější, všude se vyskytující látkou. Na zemském povrchu zaujímá kolem 71 % povrchu. Barva vody dala také název naší planetě – Modrá planeta. A přesto je vody, kterou člověk nezbytně potřebuje, nedostatek. Slaná voda moří a oceánů tvoří 97 %, 2 % vody jsou vázána v ledovcích a ve „věčném“ sněhu. K běžnému využití pro člověka zbývá asi 1 % vody. Značná část z tohoto 1 % vody obsahuje nečistoty, které je nutné před použitím odstranit.

Každý den vodu používáme. Její spotřeba neustále roste. Voda je nejdůležitějším rozpouštědlem v přírodě. Je také nepostradatelnou a stálou složkou všech tkání a orgánů lidského těla a všechny životní procesy probíhají ve vodném prostředí (v lidském těle je asi 65 % vody). K zajištění biologické rovnováhy musí dospělá osoba denně nahradit průměrnou ztrátu dvou až tří litrů vyloučené vody. Dosahujeme toho stravou a pitím. Také potraviny, které konzumujeme, obsahují velké množství vody. (Např. zralé rajče až 95 %, okurka 90 %, meloun kolem 90 % vody.)

Voda vytváří vodní obal Země – hydrosféru. Chemicky čistou látkou je pouze destilovaná voda, její složení udává chemický vzorec H₂O. Voda v přírodě je směs, složená z čisté vody, rozpuštěných minerálních látek, kyslíku, oxidu uhličitého, mikroorganismů a pevných nečistot.

Čistá voda je čirá, bezbarvá, v silné vrstvě namodralá kapalina, bez chuti a zápachu. Za normálního tlaku 101 kPa (kilopascalů) má teplotu tání 0 °C, teplotu varu 100 °C a při 4 °C má největší hustotu 1,00 g/cm³.

 

1.1 Koloběh vody v přírodě

V přírodě najdeme vodu ve všech skupenstvích. V zimě pevný led, po zbytek roku vodu kapalnou a v atmosféře plynnou páru. Skupenskými přeměnami dochází k neustálému oběhu vody v přírodě. Voda se odpařuje z hladin vodních toků, vodních nádrží a oceánů, z povrchových vrstev půdy, z rostlin i kůže živočichů. Vodní pára pak stoupá vzhůru od povrchu Země, ochlazením se zkapalňuje v drobné kapky, které vytvářejí oblaka a jako vodní nebo sněhové srážky dopadají opět na Zemi.

Živé organismy jsou na vodě závislé a má pro ně klíčový význam, neboť život vznikl ve vodě. H₂O je obsažena ve všech částech každé buňky a je základním prostředím ve kterém probíhají všechny biochemické reakce metabolismu zajišťující život. Většina biochemických reakcí v organismu probíhá v blízkosti pH 7 (pH čisté H₂O = 7). Toto pH tvoří prostředí umožňující transport rozpuštěných látek v organismu. H₂O se podílí na udržování tělesné teploty organismů a zajišťuje homeostázu² organismu. Bez vody by nemohla probíhat fotosyntéza. O této problematice více ve 2. semestru.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.2 Koloběh (oběh) vody v přírodě

 

1.2 Dělení vody z různých hledisek

Dělení vody podle původu, tj. místa výskytu:

              • voda podzemní – pramenitá, studniční.

              • voda povrchová – mořská, z potoků a řek, z ledovců, srážková.

Dělení vody podle obsahu rozpuštěných látek:

             • voda destilovaná – destilovaná voda je chemicky čistá látka, připravená destilací vody v destilačním zařízení.

                                                    Využívá se do chladičů a akumulátorů automobilů, jako náplň napařovacích žehliček, 

                                                    k dopl-nění kapaliny v akumulátoru, v laboratořích.

            • voda měkká³ – dešťová voda a voda z potoků a řek (obsahuje málo rozpuštěných látek).

            • voda tvrdá – voda ze studní a zejména z minerálních pramenů (obsahuje obvykle mnoho rozpuštěných látek,

                                       někdy bývá voda zakalena nebo lehce zabarvena), některá je pitná.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.3 Mapa tvrdosti vody v ČR

 

Dělení vody podle množství nečistot:

             • voda pitná – musí být zdravotně nezávadná, to znamená, že ani při dlouhodobém používání nesmí

                                       být příčinou poruch zdraví či onemocnění člověka. Je směsí více látek, získává se z podzemních

                                       pramenů nebo z povrchové vody, úprava povrchové vody se provádí ve vodárnách

                                      (úpravnách pitné vody).

            • voda užitková – na její čistotu a biologickou nezávadnost se nekladou takové požadavky jako na vodu pitnou,

                                             zpravidla se jedná o říční vodu, která se filtruje a někdy také dezinfikuje. Používá se

                                             v průmyslové výrobě, v myčkách aut, k praní, na toaletách. V zemědělství se

                                             používá k mytí a napájení zvířat. Nemůže se používat k pití, k přípravě potravy ani k mytí nádobí.

            • voda odpadní – vzniká činností člověka v domácnosti, v průmyslu, zemědělství. Před vypouštěním zpět

                                            do vodního toku, je třeba ji vyčistit. Její čistota má být alespoň taková, jako byla čistota

                                            odebírané vody. Při nedostatečné úpravě odpadní vody jsou vodní toky znečišťovány,

                                            může dojít k haváriím, např. k úhynu ryb a ke znečištění zdrojů pitné vody. Odstranění

                                            nežádoucích látek probíhá při malém znečištění i ve vodních tocích přirozeným samočištěním

                                            vody, za účasti mikroorganismů a vzdušného kyslíku. Ve znečištěné vodě probíhá samočištění

                                            velmi obtížně a pomalu, nebo neprobíhá vůbec. Proto se budují čističky odpadních vod.

Úprava vody na vodu pitnou

Postup úpravy povrchové vody na vodu pitnou ve vodárnách: usazení pevných látek v usazovací nádrži - přidání látek, které vytváří sraženinu s nečistotami a ta klesá ke dnu nádrže - filtrace přes pískové rychlofiltry a následná dezinfekce vody (chlorem, ozonem či ultrafialovým zářením).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.4 Schéma úpravy porchové vody na vodu pitnou

 Čištění a úprava vody odpadní

            Při čištění odpadních vod musí voda nejprve zbavit větších nečistot. Toto se děje metodou usazování nebo filtrace a jedná se o tzv mechanický stupeň.

            Zbylá voda s nejjemnějšími částmi se nechá usadit, čímž vzniknou kaly. Tato voda se s částí kalů smíchá se speciální kulturou bakterií, které využijí většinu organických látek a přemění je na látky anorganické. Protože toto čištění zajišťují bakterie spotřebovávající kyslík, musí být voda s kaly při čištění probublávána vzduchem. Hovoříme o tzv. biologickém aerobním stupni. Produktem čištění jsou kromě čisté vody kaly, které slouží jako hnojivo v zemědělství

            U větších čistíren se kaly mohou využívat jako zdroj živin pro anaerobní bakterie (bakterie nespotřebovávající kyslík). Tyto bakterie produkují plyny, které se využívají jako bioplyn pro výrobu tepla nebo elektrické energie. Vzhledem k využívání anaerobních bakterií hovoříme o tzv. anaerobním stupni.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.5 Čistička odpadních vod Velká Bíteš

 

1.3 Vlastnosti vody v plynném a pevném skupenství 

Zahřátím ledu, tj. vody v pevném skupenství, dochází k jeho tání a tím i jeho změně v kapalinu. Nepřestaneme-li kapalnou vodu zahřívat a dosáhneme její teploty varu tj. 100 °C změní se kapalná voda na vodní páru a tedy plyn. Co je důvodem této změny? Molekula vody má vzorec H₂O. Z toho vyplývá, že obsahuje dva vázané atomy vodíku na jednom atomu kyslíku. V pevném skupenství vody – ledu jsou jednotlivé částice uloženy těsně vedle sebe a  sou spojeny chemickými vazbami (vodíkovými můstky). Částice i v tomto uložení neustále vibrují. Jestliže led zahřejeme, čímž dodáme energii, vibrace se začnou zvětšovat. Tím se „přetrhají“ některé vazby a uvolní se částice a začnou se pohybovat. Tak se z ledu, při 0 °C, stává kapalná voda. Čím vyšší je přísun energie, tím dochází k dalšímu a dalšímu rozkladu vazeb a v okamžiku rozložení všech vazeb (100 °C) je kapalná voda převedena do plynného skupenství – páry.  

Proč led plove na hladině? Všichni víme, že se led nepotopí a tzv. plove na hladině vody. Je to tím, že led (pevné skupenství vody) má nižší hustotu než kapalné skupenství vody. Hustota čisté vody viz výše je při 4 °C 1,0 g/cm³ (Tzv. anomálie vody. Voda při této teplotě a díky maximální hustotě netuhne. Vodní živočichové včetně ryb tak mohou přečkat zimu i pod silnou vrstvou ledu.) Hustota ledu je při 0 °C pouze 0,92 g/cm³. 

 

1.4 Environmentální kontexty týkající se kvality a čistoty vody

Eutotrofizace vod

            Eutrofizací se nazývá proces, při kterém jsou vodní plochy obohacovány o živiny a to především o dusík (N) a fosfor (P). Rozlišujeme dva typy eutotrofizace a to přirozenou (zdrojem N a P je díky vymývání živin z půdy) a nepřirozenou (zdroj N a P je převážně lidská činnost – např. hnojiva v zemědělství, prací prostředky obsahující fosfáty).

Důsledkem eutotrofizace vod je přemnožení sinic (vodní květ) a jejich následné odumírání. Při tomto procesu dochází k spotřebovávání kyslíku ve vodě a produkci toxických látek, které jsou nebezpečné jak pro ryby, tak i pro člověka.

 

Kyselé deště

         Kyselé deště jsou jakousi pomyslným prolnutím našich dvou kapitol Vody a Vzduchu. Příčinou vzniku kyselých dešťů jsou oxidy síry, které spolu s oxidy dusíku a plynným chlorovodíkem reagují se vzdušnou vlhkostí a padají na zem ve formě srážek (déšť, sníh, mlha, rosa, jinovatka). Jsou způsobeny např. spalováním fosilních paliv (méně kvalitní hnědé uhlí), sopečnou činností, výfukovými plyny z automobilů, unášejícími plyny ze sprejů, chladícími plyny.

 

Rovnice vzniku kyselých dešťů:

SO₂ + H₂O → 2H⁺ + SO₃^2- roztok kyseliny siřičité

2SO₂ + 2H₂O + O₂ → 4H⁺ + 2SO₄^2- roztok kyseliny sírové

4NO₂ + 2H₂O + O₂ → 4H⁺ + 4NO₃^- roztok kyseliny dusičné

HCl(g) → H⁺ + Cl^- roztok kyseliny chlorovodíkové

 

           Kyselé deště zvyšují kyselost půdy a vody. Způsobují odumírání lesů, znehodnocování rostlinné produkce, vymírání života ve vodních nádržích, působí nepříznivě na lidské zdraví, jsou příčinou rychlé koroze různých materiálů. Kyselé deště ohrožují také pitnou vodu. Kyselá voda může rozpouštět těžké toxické kovy, které se vyskytují v přírodě vázané. Tak se dostávají nepřímou cestou do naší potravy. Také koroze vodovodního prostředí může ohrožovat naše zdraví kyselou pitnou vodou. Například játra a ledviny mohou být vážně poškozeny mědí z vodovodního potrubí.