Bejelentkezés

A 2024-től alkalmazott kémiaérettségi-követelmények alapján

2.4.1 Természetes vizek, víztisztítás és eutrofizáció

A természetes víz összetételét oldott és diszpergált anyagokkal értelmezem. Megkülönböztetem a szűrést, lágyítást, sótalanítást és fertőtlenítést. A tápanyagterhelést összekapcsolom az oxigénháztartással.

Középszint

Haladás mentése · Bejelentkezés

Átlátszó vízben is lehet sok oldott anyag

A természetes víz nem tiszta H2O: oldott gázokat, ionokat, szerves anyagokat, lebegő részecskéket és mikroorganizmusokat tartalmazhat. A talajon és kőzeten áthaladó víz összetétele megváltozik. A tengervíz nagy sótartalmú elegy; az édesvíz sem szükségképpen ionmentes.

A tisztaság többféle állítás lehet: kémiai tisztaság, kis lebegőanyag-tartalom vagy mikrobiológiai megfelelőség. Egyikből nem következik automatikusan a másik. A desztillálás és ioncsere alapvető elve különbözik.

A víz körforgása és az oldott sók

A víz körforgása és az oldott sókA tengervízből elpárolgó víz az oldott, nem illékony sóionokat nagyrészt hátrahagyja. A vízgőz a légkörben kondenzálódik; a felhő látható részét cseppek vagy jégkristályok alkotják, nem pusztán a láthatatlan vízgőz. A csapadék gázt oldhat a levegőből, a talajban és kőzetben ionokat vehet fel, majd felszíni és felszín alatti áramlással visszajuthat a tengerhez. A rajz néhány anyagutat emel ki; a növényi párologtatás és a vízraktárak nem mind szerepelnek. A nyilak anyagáramlást jelölnek, nem azonos térfogatot vagy sebességet.A víz mozog, az összetétel változikTengerNa+, Cl−H2O(l)Felhő: vízcseppek / jégkondenzációpárolgásH2O(g)csapadékTalaj, kőzetoldott ionokCa2+, HCO3−Lefolyás: oldott anyagokat is szállít.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
PárolgásH2O gázfázisba jut; a nem illékony sók visszamaradnak.
KondenzációFolyékony cseppek vagy szilárd jég képződik.
Beszivárgás és lefolyásA víz összetétele a környezetével kölcsönhatva változik.
A tengervízből elpárolgó víz az oldott, nem illékony sóionokat nagyrészt hátrahagyja. A vízgőz a légkörben kondenzálódik; a felhő látható részét cseppek vagy jégkristályok alkotják, nem pusztán a láthatatlan vízgőz. A csapadék gázt oldhat a levegőből, a talajban és kőzetben ionokat vehet fel, majd felszíni és felszín alatti áramlással visszajuthat a tengerhez. A rajz néhány anyagutat emel ki; a növényi párologtatás és a vízraktárak nem mind szerepelnek. A nyilak anyagáramlást jelölnek, nem azonos térfogatot vagy sebességet.

Eredet és sótartalom két külön szempont

CsoportPéldaKémiai következtetés
Felszíni vízFolyó, tó, tengerÉdes és sós is lehet; a felszíni lefolyás szennyezőket és oldott ionokat szállíthat.
Felszín alatti vízTalajvíz, rétegvíz, karsztvízKőzettel és talajjal érintkezik; eredete önmagában nem igazolja összetételét vagy tisztaságát.
ÉdesvízSok folyó és tó vizeAz édes itt viszonylag kis sótartalmat jelent, nem cukortartalmat és nem ionmentességet.
TengervízÓceáni vízGyakori ionok Na+, Cl−, Mg2+, SO42−; nem tiszta NaCl-oldat.

A természetes víz út közben is változik

A párolgás és kondenzáció fizikai halmazállapot-változás, a talajban történő oldódás és kőzetreakció az összetételt is módosítja. A növények vízfelvétele és párologtatása szintén része a körforgásnak. Vízhasználatkor a mennyiség, a hely, az időbeli hozzáférhetőség és a minőség egyaránt megváltozhat; a szennyvíz kibocsátása nem ugyanaz, mint az eredeti tiszta vízkészlet helyreállítása.

A tengervíz átlagos sótartalmának tankönyvi közelítése 3,5 tömegszázalék. Ez 1,00 kg tengervízben körülbelül 35 g összes oldott sót jelent, nem szükségképpen 35 g tiszta NaCl-t és nem automatikusan 35 gliter tömegkoncentrációt. Az utóbbi átszámításhoz a sűrűség is kell. A sótartalom helyenként változik. USGS: a tengervíz sói.

Mit mérhetünk és mire utal?

JellemzőJelentésKorlát
pHSav–bázis viszony.Egy megfelelő pH önmagában nem igazolja a teljes vízminőséget.
VezetőképességAz oldatban mozgó ionok hozzájárulása.Nem azonosít minden iont és nem mér minden szerves szennyezőt.
KeménységFőleg Ca2+ és Mg2+ mennyisége.Nem azonos az összes sótartalommal.
ZavarosságFényszóró diszpergált részecskék.A tisztának látszó oldatban is lehet oldott szennyező.
Oldott oxigénA víz oxigénellátása.Hőmérséklet, keveredés, fotoszintézis és lebontás is befolyásolja.

Szén-dioxid az esőben, savas ülepedés a környezetben

A levegő CO2-ja a csapadékban oldódhat, és a szénsavrendszer révén enyhén savas kémhatást okozhat. A fokozott környezeti savterheléshez a SO2 és nitrogén-oxidok átalakulása is hozzájárul: kénsav és salétromsav is keletkezhet. A levegőben és vízcseppekben oxidációs folyamatok is történnek, nem minden sav pusztán az oxid egyszerű oldódásával jön létre.

A savasodás vízi élőhelyeket és kőzeteket is érinthet. A karbonátos kőzet savval reagál, ezért a víz sav–bázis viselkedését a környező talaj és kőzet is befolyásolja. Karsztosodásnál CaCO3 + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2 HCO3−; a vízkeménység és a széncsoport jegyzete ehhez további ábrát ad.

Milyen terhelésről beszélünk?

Anyag / csoportLehetséges hatásA vizsgálat kérdése
Lebegő ásványi részecskékZavarosság, fényviszonyok megváltozásaElválasztható-e ülepítéssel vagy megfelelő szűréssel?
Szerves bomló anyagMikrobiális lebontáskor oxigénfogyasztásMekkora a terhelés és a lebontás oxigénigénye?
N- és P-tartalmú tápanyagokBiomassza-növekedés és eutrofizációMennyi jut be a vízgyűjtőről, és melyik tápanyag korlátoz?
Egyes fémionok, növényvédőszer-maradékokAz anyagtól és mennyiségtől függő káros hatásMilyen anyag, milyen koncentrációban és milyen kémiai formában van jelen?
Olaj és műanyagdarabokFelszíni vagy diszpergált szennyezés; az élőhelyek terheléseA méret, összetétel, eloszlás és eltávolíthatóság is számít.

A tisztítás céljához módszert válassz

A tisztítás céljához módszert válasszÁltalános módszercsoportok; az adott vízmű kezelési sorrendjét a nyersvíz összetétele és a cél határozza meg. Nem minden víz igényli minden lépést.A tisztítás céljához módszertválasszRács és ülepítésA nagyobb szilárd anyagokatkülönítjük el.Koaguláció, pelyhesítés ésszűrésApró lebegő részecskéket nagyobbegységekbe gyűjtünk.Célzott kezelésAdszorpció, oxidáció, ioncserevagy membrán a szennyezőtípusához.FertőtlenítésA mikrobiológiai kockázatcsökkentése megfelelőeljárással.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Rács és ülepítésA nagyobb szilárd anyagokat különítjük el.
Koaguláció, pelyhesítés és szűrésApró lebegő részecskéket nagyobb egységekbe gyűjtünk.
Célzott kezelésAdszorpció, oxidáció, ioncsere vagy membrán a szennyező típusához.
FertőtlenítésA mikrobiológiai kockázat csökkentése megfelelő eljárással.
Általános módszercsoportok; az adott vízmű kezelési sorrendjét a nyersvíz összetétele és a cél határozza meg. Nem minden víz igényli minden lépést.

Koaguláció, pelyhesítés és elválasztás

Koaguláció, pelyhesítés és elválasztásAz első panel tizenkét kis lebegő részecskét, a második ugyanazokat három nagyobb csoportban szemlélteti. A koaguláció csökkenti a diszperz rendszer stabilitását, a pelyhesítés során nagyobb egységek keletkeznek; ezek ülepítéssel vagy megfelelő szűréssel könnyebben elválaszthatók. A részecskeszám rajzi példa, nem laboradat. Az oldott Na^{+} és Cl^{−} nem válik ettől automatikusan pelyhekké. A harmadik panel a szemléltetett lebegő részecskék elválasztása utáni állapotot mutatja; nem állít teljes kémiai vagy mikrobiológiai tisztaságot.Apró részecskéből nagyobb pehelyKiinduló lebegő részecskékOldott Na+ és Cl− maradhat.Pelyhesítés utánOldott Na+ és Cl− maradhat.Elválasztás utánOldott Na+ és Cl− maradhat.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Koaguláció / pelyhesítésA kis diszpergált részecskék nagyobb egységekbe kerülnek.
Ülepítés / szűrésA keletkezett pelyhek elkülönítése.
Oldott sókKülön kezelés nélkül ionok maradhatnak az oldatban.
Az első panel tizenkét kis lebegő részecskét, a második ugyanazokat három nagyobb csoportban szemlélteti. A koaguláció csökkenti a diszperz rendszer stabilitását, a pelyhesítés során nagyobb egységek keletkeznek; ezek ülepítéssel vagy megfelelő szűréssel könnyebben elválaszthatók. A részecskeszám rajzi példa, nem laboradat. Az oldott Na+ és Cl− nem válik ettől automatikusan pelyhekké. A harmadik panel a szemléltetett lebegő részecskék elválasztása utáni állapotot mutatja; nem állít teljes kémiai vagy mikrobiológiai tisztaságot.

A kezelési módszert a részecske formájához választjuk

A rács a nagy uszadékot, az ülepítés a megfelelően ülepedő részecskéket választja el. Koaguláció és pelyhesítés után az apró diszpergált anyagból könnyebben elválasztható pehely lehet. A homokszűrés és az oldott ionok eltávolítása eltérő feladat. A nyersvíz összetétele határozza meg, melyik lépésre van szükség; a felsorolt módszerekből nem következik minden vízmű azonos technológiája.

A vas- és mangánvegyületek eltávolításánál például oxidációval rosszabbul oldódó formát állíthatnak elő, majd a keletkező részecskéket elválasztják. A nitrát eltávolítása más célzott megoldást igényelhet. A klór-, ózon- vagy UV-kezelés a mikroorganizmusok inaktiválását szolgálhatja; az alkalmazott módszert és eredményt megfelelő méréssel ellenőrizni kell.

Szűrés és adszorpció: két külön elv

A homokszűrő sok lebegő részecskét visszatart, de az oldott Na+ és Cl− nem úgy akad fenn rajta, mint egy homokszem. Aktív szénen egyes szerves anyagok a nagy fajlagos felülethez kötődhetnek: ez adszorpció. Nem korlátlan: a felület telítődhet, és nem minden anyag kötődik ugyanolyan jól.

Hasonlat: egy szita a nagy darabokat fogja meg, egy foglalható parkolóhelyekből álló felület pedig véges számú részecskét tud megkötni. A két hasonlat eltérő elválasztási mechanizmushoz tartozik.

Oldott anyagok adszorpciója aktív szénen

Oldott anyagok adszorpciója aktív szénenA zöld jelképek egy olyan anyag részecskéi, amely az aktív szén felületén megkötődhet; a rajz egyszerűsített modelljében néhány a vízben marad. Az aktív szén belső pórusai nagy fajlagos felületet adnak, bár a rajz csak egy külső kontúrt mutat. A megkötés szelektív és véges kapacitású, nem az oldat minden ionjának kiszitálása. A szemcsék és molekulák méretaránya szemléltető. Az adszorpció felületi kötődés, nem a szénnel való általános kémiai elroncsolás vagy a víz teljes fertőtlenítése.Adszorpció: kötődés a felülethezAktív szénEgyes oldott anyagok megkötődnek.A kötőhelyek száma véges.A belső pórusfelület is fontos.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
FelületKülső és belső pórusfelület.
MegkötésAz anyag és a felület kölcsönhatásától függ.
KapacitásTelítődés után a kezelés hatása csökkenhet.
A zöld jelképek egy olyan anyag részecskéi, amely az aktív szén felületén megkötődhet; a rajz egyszerűsített modelljében néhány a vízben marad. Az aktív szén belső pórusai nagy fajlagos felületet adnak, bár a rajz csak egy külső kontúrt mutat. A megkötés szelektív és véges kapacitású, nem az oldat minden ionjának kiszitálása. A szemcsék és molekulák méretaránya szemléltető. Az adszorpció felületi kötődés, nem a szénnel való általános kémiai elroncsolás vagy a víz teljes fertőtlenítése.

Lágyítás, sótalanítás és fertőtlenítés

Nátriumos ioncserélő a Ca2+ és Mg2+ ionokat Na+-ra cserélheti: a víz lágyabb, de nem ionmentes. Sótalanításhoz például megfelelő membrán vagy többféle ioncserélő szükséges. Desztillációban elpárologtatás és kondenzálás választja el a víz nagy részét a nem illékony oldott anyagoktól.

Fertőtlenítésben kémiai oxidálószer vagy fizikai módszer, például UV-kezelés is alkalmazható. Ezek nem azonosak a karbonátos keménység eltávolításával; a mikroorganizmusok inaktiválása nem jelenti minden oldott anyag eltűnését.

Miért lehet baj a túl sok tápanyag?

Nitrát- és foszfátterhelés gyorsíthatja az algák növekedését: eutrofizáció. Az elpusztult biomassza mikrobiális lebontása oxigént fogyaszt, így a mélyebb vagy rosszul kevert víz oxigénhiányossá válhat. A tápanyagsó nem feltétlenül közvetlen méregként okozza ezt a hatást.

A víz nappali oxigéntermelése nem garantál állandó jó oxigénellátást: éjszaka a fotoszintézis leáll, légzés és lebontás tovább zajlik. A nyári felmelegedés csökkentheti a gázok oldhatóságát is.

A tó oxigénháztartásának nappali és éjszakai folyamatai

A tó oxigénháztartásának nappali és éjszakai folyamataiNappal a fotoszintézis oxigént termelhet, miközben a szervezetek légzése és az aerob lebontás oxigént fogyaszt. Éjszaka a fotoszintézis leáll, a fogyasztás folytatódik. A zöld nyíl oxigéntermelést, a narancs nyíl oxigénfelhasználást jelöl; hosszuk nem mért anyagmennyiség. A víz tényleges O_{2}-koncentrációja a gázcserétől, keveredéstől, hőmérséklettől és az élőlényektől együtt függ. A nappali mérés ezért önmagában nem zárja ki az éjszakai oxigénhiányt. Az alga jelképe az oxigént fogyasztó mikrobiális lebontóközösséget nem helyettesíti; annak szerepét a felirat külön jelzi.Oxigéntermelés és oxigénfogyasztásNappalalgaFotoszintézis: O2-termelésLégzés és lebontás: O2-fogyasztásKeveredés és gázcsere is számít.ÉjszakaalgaFotoszintézis nincs.Légzés és lebontás: O2-fogyasztásKeveredés és gázcsere is számít.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
NappalTermelés és fogyasztás egyaránt lehet.
ÉjszakaFotoszintézis nincs, légzés és lebontás folytatódik.
MérésAz időpontot és a mintavétel helyét is meg kell adni.
Nappal a fotoszintézis oxigént termelhet, miközben a szervezetek légzése és az aerob lebontás oxigént fogyaszt. Éjszaka a fotoszintézis leáll, a fogyasztás folytatódik. A zöld nyíl oxigéntermelést, a narancs nyíl oxigénfelhasználást jelöl; hosszuk nem mért anyagmennyiség. A víz tényleges O2-koncentrációja a gázcserétől, keveredéstől, hőmérséklettől és az élőlényektől együtt függ. A nappali mérés ezért önmagában nem zárja ki az éjszakai oxigénhiányt. Az alga jelképe az oxigént fogyasztó mikrobiális lebontóközösséget nem helyettesíti; annak szerepét a felirat külön jelzi.

Az algák nappal termelhetnek oxigént, mégis kialakulhat oxigénhiány

A túlzott tápanyagbevitel nagy biomasszát hozhat létre. A szervezetek légzése és az elpusztult biomassza aerob lebontása oxigént fogyaszt; nappali fotoszintézis mellett éjszaka is működnek ezek a fogyasztó folyamatok. Ezért az „algás vízben mindig sok az oxigén” következtetés hibás. A keveredés és a levegővel történő gázcsere módosítja a mérleget. EPA: az oldott oxigén változásának okai.

A melegedés csökkentheti az oxigén egyensúlyi oldhatóságát, de egy tó tényleges koncentrációját ebből egyedül nem számítjuk ki. A fény eljutása, a vízrétegek keveredése, a termelés és fogyasztás együtt számít. Az eutrofizáció a túlzott tápanyagterhelés következménye; a nitrát és foszfát nem egyszerűen azonnal „kiveszi az oxigént” a vízből.

Tápanyagból oxigénhiány

Tápanyagból oxigénhiányOksági lánc, nem minden vízben azonos sebességű folyamat. A keveredés és a vízcsere módosítja a következményt.Tápanyagból oxigénhiányTúlzott N- és P-bevitelMezőgazdasági lefolyás éselégtelenül tisztított szennyvízis lehet forrás.Biomassza-növekedésAlgák és más szervezetekelszaporodnak.LebontásAz elpusztult szerves anyaglebontása oxigént fogyaszt.OxigénhiányA vízi élőlények életfeltételeimegváltoznak.
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Túlzott N- és P-bevitelMezőgazdasági lefolyás és elégtelenül tisztított szennyvíz is lehet forrás.
Biomassza-növekedésAlgák és más szervezetek elszaporodnak.
LebontásAz elpusztult szerves anyag lebontása oxigént fogyaszt.
OxigénhiányA vízi élőlények életfeltételei megváltoznak.
Oksági lánc, nem minden vízben azonos sebességű folyamat. A keveredés és a vízcsere módosítja a következményt.
Kidolgozott példa: koncentráció nem össztömeg

Feladat: Egy tóban egy anyag koncentrációja 2,0 mgdm3, víztérfogata 5,0·106 dm3.
Mennyi az anyag tömege egyenletes eloszlást feltételezve?

A térfogatot dm3-ben használjuk.
A tömeg a tömegkoncentráció és a térfogat szorzata: 2,0·5,0·106=1,0·107 mg.

Ez 10 kg.
Kis koncentráció nagy víztérfogatban jelentős össztömeget jelenthet.

Felidéző gyakorlás

Mit nem bizonyít a víz átlátszósága?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ
Kidolgozott példa: A víz átlátszó, mégis kezelni kell · 6 pont

Feladat: Egy mintából szűréssel eltávolították a lebegő részecskéket.
A víz átlátszó, de NaCl-t és nagy nitrátterhelést tartalmaz.
Bizonyítja-e az átlátszóság a sótalanítást?
Miért lehet környezeti gond a tápanyagterhelés?
Miért mérjünk a tóban több időpontban oxigént?

Az oldott Na+ és Cl− a közönséges részecskeszűrés után maradhat (1 pont);
a látható lebegőanyag és az oldott anyag külön formában van jelen (1 pont).

Túlzott tápanyagterhelés fokozhatja a biomassza növekedését (1 pont);
a légzés és az elpusztult szerves anyag aerob lebontása oxigént fogyaszt (1 pont).

Nappal fotoszintézis is termelhet oxigént, éjszaka ez a termelés leáll (1 pont);
ezért egyetlen nappali adat nem zárja ki az éjszakai vagy más vízrétegben kialakuló oxigénhiányt (1 pont).
Összesen 6 pont;
önálló gyakorlófeladat.

Érettségi kapcsolódás: vízminőség és környezeti következmény

Az OH 2.4.2.2 középszinten kéri a természetes vizek tisztaságának, a környezeti terheléseknek, az eutrofizációnak, a karsztjelenségeknek és a savas esőnek az értelmezését. A vízmolekula, a jég szerkezete és a víz sav–bázis reakciói az oxigéncsoport és a sav–bázis jegyzetben szerepelnek; a keménység és a lágyítás az alkáliföldfémeknél kap részletes ábrát. A biológiai tisztítás részletei és a nitrifikációs számítás itt emelt kiegészítések; megadott információból a reakcióegyenlet és az anyagmérleg alkalmazását gyakoroljuk.

Források

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 206–209. nyomtatott oldal; 97. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.