Су және сулық жүйелердің құрылымы мен қасиеттері

Сұйық судың кейбір қасиеттерін алғашқы рет Берналл және Фаулердің моделі негізінде түсіндіруге мүмкін болды, бұл модельге сәйкес сұйық суда оның молекулалары бір-біріне тығыз жанаспайды. Сұйық судағы сутектік байланыстардың кеңістік бағытталуы салдарынан судың молекулалары молекулааралық қуыстарды түзіп, елеулі арақашықтарда ұсталады. Бұл судың шын тығыздығы 1,0 т/см болып, су молекулаларының тығыз жанасуы кезінде тығыздығы 1,8 т/см болатындығымен расталады. Сонымен бірге судың молекулалары кристал тәрізді реттілікті сақтайды. Мұндай реттелген аймақтар тұрақты құрылымдар болып табылмайды, өйткені олар үздіксіз ыдырайды, қайта орналасады және мономерлік молекулалардың үзілуі немесе қосылуы салдарынан өлшемдері ұлғайады. Таралу функцияларын зерттеу нәтижесінде судың мономерлік молекулалары тетраэдрлік симметриясы бар топтарды түзетіндігі анықталады.Мұндай симметрияда координациялық сан төртке тең болады, ал құрылысы тығыз жанасқанға қарағанда елеулі борпылдақ болады.Алайда, берілген жағдайда мұздың құрылысына қарағанда тығызырақ болады.Осыған байланысты Самойлов егер заттағы молекулалардың реттеліп орналасуы салыстырмалы кіші тығыздыққа алып келсе,онда реттіліктің төмендеуі тығыздықтың өсуіне алып келу мүмкіндігін көрсетеді [13,14,15].

Берналл және Феулер теориясына сәйкес көлемнің кемуі сұйық судың жеке аймақтарында ООС кезінде мұздың тридимит тәрізді құрылысы кварц тәрізді құрылыспен алмасатындығының салдары болып табылады, мұның өзі 4 координациялық санға сәйкес келеді және тетраэдрлік симметриясы болады. Алайда кварцтың кристалдық торында судың молекулалары тығызырақ орналасқан. Ең жақын көршілестердің арасындағы қашықтық 2,8 А тең, олардан кейінгі көршілестерге дейінгі қашықтық 4,2 А тең. Мұздың гридимит тәрізді құрылысында бұл қашықтық 4,5 А тең. Суда су молекулаларының координаталық саны 4-ке жақын, тетраэдрлік симметриялы аймақтардың болуы көптеген зерттеулермен дәлелденген. Алайда сонымен бірге су молекулаларының координациялық санының температуралық тәуелділігіне қатысты қарама-қайшы мәліметтер келтіріледі. Рентген сәулелерінің таралуы бойынша алынған мәліметтердің негізінде 1,5-130С температура интервалындасудың координациялық саны 4,4 тең, ал 830С-та 4,9 құрайтындығы анықталды [13].

Комбинациялық таралу және инфрақызыл спекроскопия әдістерімен алынған мәліметтер де температураның (700С-қа дейін) жоғарлауымен сутектік байланыстар әлсірейтіндігі және олардың саны азаятындығын көрсетті. Бұған қоса суда молекулалардың тек бір бөлігінің ғана координациялық саны4-ке тең болады деп санайды.  Сонымен бірге орналасуында тетраэдрлік симметрия толығымен жойылады. Сонымен бірге әрбір екінші таңдалған Н2О молекуласы екі немесе үш жақын молекуламен байланысқан, дәл сол уақытта тасқа көршілес молекулалар соның бағытында немесе одан қашықтап қозғалады. Осылайша, бұл молекулалар бірінші және екінші координациялық сфералардың арасында орналасқан.

Поплдың көзқарасы бойынша судағы барлық төрт сутектік байланыстар тәуелсіз иіле алады, ал мұзда бұл иілу кристалдық тордың реттілігі салдарынан шектелген. Мәліметтер су молекулаларының белгілі бөлігі сутетік байланыстардың үзілуінсіз өз бағытын өзгерте алатындығын дәлелдейді. Бұл теорияның маңыздылығы мынада, яғни мұнда алғаш рет сутектік байланыстардың иілшіштігіне назар аударылған.

Еріген заттар белгілі бір дәрежеде сұйық судың құрылымын өзгертеді және бұл оның қасиеттерінің өзгеруіне алып келеді. Мұндай өзгерістер еріген заттың элементарлық бөлшектері және еріткіш судың молекулалары арасындағы өзара әрекеттесудің сипатын туады. Сонымен бірге молекулалық  өзара әректтесу күштерінің табиғатынан басқа еріген  заттардың бейтарап млекулалары мен иондары су құрылымындағы молекулаларды қандай әдіспен алмастыратынына немесе құрылымдық қуыстарды толтыратындығына, еріген заттар бөлшектернің өлшемдерінің осындай өзгерістерге қандай әсері барлығына назар аудару қажет [12].

Судың бейтарап молекулалардың және оң немесе теріс зарядталған заттардың әсер ету сипаты бір-бірінен елеулі өзгеше болады.

Молекулалық ерітіндісіне заттардың су құрылымына әсеріне қатысты әйгілі теорияларды үш топқа бөлуге болады: су құрылымында қуыстың түзілу және осы қуысты еріген зат молекуласының алу теориясы; судын кристалдық торын бұзбай ажурлық карскаста бар қуысқа еріген зат молекулаларының түсу теориясы; сутектік байланыстарды бұзбай судың құрылымдық  жинақтары арасындағы кеңістікке еріген зат молекулаларының өндіру теориясы.

Франк пен Эвансқа сәйкес, полярлық емес затты еріткен кезде бос қуыстардың түзілуі үшін 10ккал/мольге дейінгі энергия қажет, бұл энегрия өлшемдері су молекулаларының өлшемдерінен артық полярлық емес заттар молекулаларының түсуі салдарынан судың құрылымында сутектікбайланыстардың түзілу нәтижесінде босатылып шығады. Полярлық емес заттың осы молекулалары судың құрылымдық молекулалық жиынтықтарының шекаралысы бойынша орналасады, мұндай қуыстардың көп болуының салдарынан сұйықтықтың құрылымы борпылдақ болады. Сонымен бірге Франк және Эванс бойынша полярлық емес заттар молекулаларының қатысуында қалыпты температурада судың құрылымында сутектік байланыстарының саны артады. Бұған қоса, олардың пікірінше, судың көршілес молекулаларының ауытқулық қозғалы жарым-жартылай тежеледі. Немети мен  Шираги да еріген заттар  молекулаларының кординациялық саны артады деп санайды, өйткені тұрақты, индуцирленген немесе мезеттік дипольдік өзара әрекеттесулер еріген молекула мен судың арасында байланыстың түзілуіне алып келеді. Олардың есептелуіне сәйкес еріген зат молекуласы қоршайтын су молекулалары арасындағы үзілмеген сутектік байланыстардың үлесі 59%-ке тең (таза су үшін осындай есептеу 46% береді). 4,3,2 және бір сутектік байланысты түзетін молекулаларыдың үлестері де әртүрлі. Ерітінді үшін олар 43,6,1 және 12,18 және 12%, ал таза су үшін 23,20,4 және 23% сәйкесйінше құрайды. Сутектік  байлансытарды түзбейтін молеклалардың үлесі де төмен, 21% және 29% сәйкейсінше құрайды [13,14,15].

Еріген молекулалардың су ортасының қуыстарына кәдімгі түсуі аз еритін полярлық емес заттардың, көмірсулардың, инертті және атмосфералық газдардың ерітілерінде байқалуы мүмкін.Су каркасының қуыстарын электролит еместердің толтыруы кезінде су құрылымының тұрақтануы жүзеге асатындығы туралы көзқарастар (тұжырымдар) жасалған. Бұлар суда электролит еместерінің аз мөлшерінің еріуі кезінде байқалатын өздігінен диффузиялану коэффицентінің, сығылғыштығын, иондар  гидротациясының  азаюын, тұтқырлықтың  артуын  түсіндіруге мүмкіндік  береді.

Жұмыстарда көрсетілгендей суда молекулалық заттардың еруі кезінде негізінен кластераралық кеңістіктер болады, соның нәтижесінде соңғылары тұрақтанады, ал олардың арасындағы әлсіз байланыстар үзіледі. Кейіннен  Наберухин көрсеткендей сулы және спирттік жүйелердің көбісінің термодинамикалық қасиеттерін салыстырмалы талдау жолымен еріген заттардың молекулалары олардың шоғырына байланысты судың құрылысындағы ішкі қуыстық кеңістіктерді ала алатындығын немесе реттелген  аймақтар арасындағы аралықтарда молекулалары олардыың шоғыры 0,1 моль үлесіне дейінгі аймақта каркас қуыстарына түседі жәнесудың қуыстық молекулаларының каракасқа ығыстырады. Өйткені бұл кезде су- су жаңа сутектік байланыстары түзеледі, ығысу энтальпиясы теріс болады.

Электролит еместердің орташа шоғыры 0,15 мольден жоғары аймақтарда, олар қуыстарды толтырылғаннан кейін, электролит емес су-су сутектік байланыстарды үзе бастайды. Сонымен бірге бұл кезде ерітіндіде екі фазаға бөліну жүзеге асады: құрылымдық фазасына, оның қуыстарында электролит еместердің көп емес саны орналасады және ретсізделген судың жеке молекулаларынан тұрады.

Осындай қорытындылар жұмыста да келтіріледі, мұнда спирттер мен бірқатар электролит еместердің сулы ерітінділерінің спектрлері ауытқуы зерттелді. Авторлар электорлит еместің молекулаларының болуы су молекулалары арасындағы сутектік байланыстардың кейбір санының үзілуіне алып келеді деп санайды. Сонымен қатар үзлмеген сутектік байланыстар су молекулалары мен еріген заттардың полярлық емес бөліктерінің комплекстерінің түзілуі салдарынан беріктенеді. Су құрылымының еріген молекулаларының айналасында судың молекуклалары бағыттала алатындығын көрсетті.

Осылайша, белгілі экперименттік мәліметтерден молекулалық еріген заттардың әсерінен суда болатын құрылымдық өзгерістер туралы бір мәнді қорытындылар жасауға болмайды. Сонымен қатар, олар нақты жағдайларға байланысты еріген заттар сұйық судың құрылымын тұрақтандыра алынатындығын да, сол сияқты бұза алатындығын растайды.

Еріген иондардың судың құрылымына әсері оған молекулалаық заттардың әсерінен өзгеше болады. Судың құрылымы мен қасиеттері әлі күнге зерттелуде.

Жоғарыда айтылғанды жалпылай келе, ерітінділерді иондар судың құрылымына бұзушылық немесе реттеуші ықпал ететін айту қажет және бұл толығымен электр өрісінің өлшеміне, зарядына, кернеуіне тәуелді болады және ионның құрылымдық ерекшелігіне байланысты болады. Сонымен қатар иондар және нейтралды молекулалардың сумен өзара әрекеттесуі сипатындағы белгілі сапалық айырмашылықтарға қарамастан, мұндай өзара әрекеттесулердің судың құрылымына ықпалы ұқсас болады. Судың құрылымын тұрақтайтын молекулалаық еріген заттар оның құрылымын оң гидратталатын иондар сияқты реттейді, ал судың құрылымын ретсіздейтін еріген молекулалық бөлшектердің суға ықпалы теріс гидратталатын иондардың әсеріне ұқсас болады.

Қазіргі танда химия- технологиялық үрдестердің көптеген түрлері қолданыс табуда. Осыларды пайдалану барысында тек хлоридтер, сульфаттар,фосфаттар, карбонаттар, силикаттар және т.б. негізінде бірнеше жүз мыңдаған әртүрлі өнімдер өңделуде [14].

Құрамында металы бар ағын суларды өңдеу, тазалау және ажырату тәсілдері мен үрдістері

Сұйық өнеркәспгпк қалдықтарды бөліп алып зиянсыздандыру және оның бағалы құрамдастарын қайта пайдалану экологиялық көзқараспен және минерал шикізаттарын кешенді пайдалану тұрғысынан қарағанда ерекше мәнге ие.

Биологиялық жолмен тазарту қиынға соғатын және коммуникативтік қасиетке ие, құрамында қорғасын, кадмий, мырыш, мыс, рений және т.б. өтпелі және шашыраңқы металдары бар түсті металлургиялық өнеркәсіптік ағынды суларын жатқызуға болады.

Биосфераны қорғау мен минералды шикізаттарды тиімді пайдалану мәселелерін қоса шешуге арналған ең бір нәтижелі бағыттардың бірі, өңделетін ерітінділердің бағалы құрамдастарын сұрыптап ажыратып алу мен оны қайта пайдалану және су пайдаланудың тұйық айналымын жасауды қарастыратын, ағынды суларды жергілікті тазалау әдісі болып саналады.Бұл мәселе құрамында металы бар ағынды суларды тазалаудың жоғары тиімді әдістерін жасап пайдалану барысында шешілуі мүмкін.

Қазіргі кезде құрамында уытты иондары бар металдардың ағызынды суларын зиянсыздандыру әртурлі әдістерімен шешіліп келеді.Солардың ішінде ең көп тарағаны тұндыру, мембраналық сепарация, адсорбция және экстракция сияқты әдістер.

Тұндыру. Әдістің мәнісі алынып тасталатын металдарды аз еритінқоспаларға байланыстырып, оларды тұнба күйінде ағынды сулардан бөліпалу болып табылады. Бұл жерде түндырғышты таңдау, олармен қосылысу нәтижесінде пайда болатын нашар диссоцияланатын (аз еритін) қоспалардың ерігіштік көбейтіндісін ескере отырып іске асырады. Ауыр металдардың гидроксидтері мен сульфидтерінің ерігіштік көбейтінділері 1.2-кестеде келтірілген.

1.2-кесте - Ауыр металдар қоспаларының ерігіштік көбейтінділері

Металдарды гидроксидтер түрінде тұндыру ең бір кең тараған, көп пайдаланатын әдістердің бірі болып саналады және де бұл жерде тұндырғыш ретінде кең тараған, арзан және қолайлы реагент – кальций тотығы пайдаланылады. Айта кетерлік жайт – бұл мақсаттар үшін күйдірілмеген әктен басқа да сілтілік реагенттер – күйдірігіш натрий мен калий,магнийдің карбонаттары да пайдаланылады.Никельдің ерітіндіден бөліп алу оны негізгі карбонат түрінде тұндыру арқылы іске асырылады.

Қоспаларынан пайда болатын тұнбалардың ерігіштігін жоғарлатады. HgS - нің ерігіштік көбейтіндісі 1,6 • 10-52 - ге тең, ол сынаптың дистилденген судағы шоғырына (2,5·10-24 кг/м) сәйкес келеді. Көп құрамдасты ағынды суларда HgS-нің ерігіштігі дистилденген судағыға қарағанда жоғары, сол себепті сынаптың қалдықты шоғыры сульфидті тазалаудан кейін едәуір жоғары (7 • 10-5 кг/м").

Осыған қарамастан бұл әдістің кемшіліктері де бар.

Экстракция.Экстракция әдісі қазіргі кездегі қоспалардан металл иондарын бөліп алу үрдісінде кең түрде қолданылады. Мысалы, экстракцияны сирек кездесетін металдарды бөлуге,мырыш,мыс,никель және т.б. бөліп алып тазалауда пайдаланады. Авторлар (ІІІ) мышьякты аса қышқыл ерітінділерден төртхлорлы көміртегіні, хлороформды, ароматты көмірсутегілерін және олардың туындыларын пайдаланып бөліп алу үрдістерінде экстракцияның тиімді, екенін көрсеткен. Атап айтқанда, диэтилгексилдитифосфор кышқылын пайдаланып, алғашқы шоғыры 18 г/л мышьяктың қалдық мөлшерін 90мг/л-ге дейін төмендетеді.Мышьякты көп құрамдасты қышқыл ерітінділерінен органикалық еріткіштермен экстракциялық бөліп алу әдістері белгілі.

Іс жүзінде экстракция әдісін кең қолдану жоғары сұрыпты экстрагенттердің жетіспеушілігінен және оларды жаңғыртудың технологәялық үлгілерінің күрделілігінен, сонымен қатар үрдіске энергия шығындарының көптігінен шектеліп отыр.Адсорбция әдісі.Бұл әдістің мәнісі алынып тасталатын металл иондарын керекті абсорбенттердің бетімен сұрыпты сіңіру болып табылады. Ерітінділерден металдарды алып тастау үрдісінде абсорбент ретінде ионал, амастырғыш шайырлар, белсенді көмірлер, саз балшықтар, силикагель жәнет.б. пайдаланылады. Қазіргі кезде аталған абсорбенттердің ішінен ионалалмасгырғыш шайырлар іс жүзінде ең көп пайдаланылады.