ЛЕКЦИЯ 9 ХИМИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОД Химия элементов

ЛЕКЦИЯ 9
ХИМИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОД
1. Химия элементов.
2. Растворение в воде газов.
3. Минералицация воды.
Континентальные воды очень важны для человека, поскольку они
являются единственным надежным источником питьевой воды. Химический
состав рек, озер и грунтовых вод сильно варьирует и контролируется
преимущественно тремя факторами: химией элементов, режимами
выветривания и биологическими процессами. Кроме того, сильное влияние
на некоторые системы питьевой воды может оказать воздействие человека.
Химия элементов
Двадцать крупнейших рек Земли несут около 40% общего
континентального стока, из которых на одну Амазонку приходится 15%. Эти
реки дают наилучшее представление о среднем глобальном химическом
составе речных вод, который можно сравнить со средним составом
континентальной коры (табл. 1). Такое сравнение позволяет выделить три
особенности:
1. В растворенном состоянии в химическом составе пресной воды
преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых
катионов (Са2+, Nа+, К+ и Мg2+).
2. Концентрация ионов в растворе низка.
3. Ионный состав растворенных веществ в пресной воде
принципиально отличается от континентальной коры несмотря на то, что все
катионы в речной воде, за исключением некоторого количества натрия и
хлора, являются результатом процессов выветривания.
Таблица 1.
Сравнение среднего состава основных катионов в породах континентальной
коры и речных водах
Катионы
Al
Fe
Ca
Na
K
Mg
Континентальная кора,
мг / кг
80.0
35.5
30.0
29.0
28.0
13.0
Речные воды,
мг / кг
0.05
0.04
13.0
5.2
1.3
3.4
1
Сравнение состава важнейших растворенных ионов в четырех крупных
реках, дренирующих разные области коры (табл. 2), показывает
преобладание кальция, магния, натрия и калия. Однако в целом химия рек
различна,
и
большинство
различий
обусловливается
режимами
выветривания.
Состав растворенных ионов в пресных водах зависит от: варьирующего
состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений; изменений в
поступлениях в атмосферу вследствие эвапотранспирации; варьирующих
вкладов от реакций выветривания и разложения органического вещества в
почвах и породах и различного вовлечения в биологические процессы в
почвах. Там, где присутствуют кристаллические породы или сильно
выветрелые тропические почвы, химия растворенных веществ в пресных
водах в основном зависит от природных поступлений в атмосферу, например,
морских брызг и пыли, а также антропогенных газов, например SО2.
Таблица 2.
Состав важнейших растворенных ионов (моль * л ) некоторых крупных рек
-1
Ионы
Са2+
Mg2+
Na+
K+
ClSO24HCO-3
SiO2
Маккензи (1)
Ориноко (2)
Ганг (3)
Рио-Гранде (4)
0.82
0.43
0.30
0.02
0.25
0.38
1.82
0.05
0.08
0.04
0.06
0.02
0.08
0.03
0.18
0.19
0.61
0.20
0.21
0.08
0.09
0.09
1.72
0.21
2.72
0.99
5.10
0.17
4.82
2.48
3.00
0.50
Дренажные особенности бассейнов: (1) север арктической Канады; (2) тропический
юг Южной Америки; (3) южные Гималаи; (4) аридная юго-западная часть Северной
Америки.
Поступления морской соли, обычно называемые цикличной солью,
характерны для прибрежных областей. Небольшие количества морской соли,
однако, присутствуют также в речной воде центральных континентальных
областей, удаленных на тысячи километров от моря. Поступления морской
соли в целом имеют сходный, в основном натрий хлоридный (NaCl),
химический состав с той морской водой, из которой они происходят.
Таким образом, ионы натрия или хлора могут быть использованы в качестве
меры поступления морских солей в речные воды.
Роль морской воды как источника остальных (кроме натрия и хлора)
ионов для дождевой воды можно оценить, рассчитав их относительное
содержание по отношению к натрию и сравнив его с таким же отношением в
морской воде. Такое сравнение можно распространить и на пресную воду,
хотя здесь существует то осложнение, что некоторые ионы попадают в нее
при выветривании. Если с самого начала не учитывать этого осложнения, то
2
в областях, где поступления дождевой воды вносят большой вклад в химию
пресной, доминирующим катионом, вероятнее всего, будет Na+. Если
существенны процессы выветривания, основными растворенными ионами
будут те растворимые элементы, которые поступают из местной породы и
почвы.
Состав растворенных ионов в речной воде можно классифицировать,
сравнивая значения Na+/(Na+ + Ca2+) с общим количеством ионов,
присутствующих в растворе. Эти реки текут по кристаллической
материнской породе.
Основные речные системы протекают по разнообразным типам пород,
захватывая растворенные продукты реакций выветривания. Пресные воды,
происходящие из областей с активными процессами выветривания, имеют
наиболее высокие концентрации ионов, в них увеличивается преобладание
кальция над натрием.
В природных водах pH контролируется в основном концентрацией
растворенных CO2, HCO3- и СО2-3. эти формы вступают в реакции и
поддерживают рН в пределах относительно узких границ. Большинство
почвенных вод, питающие реки и грунтовые воды, имеют околонейтральный
рН и НСО3- в виде основного аниона. Это является результатом растворения
СО2 в воде и кислотного гидролиза силикатов и карбонатов. Общее
количество слабых анионов в воде часто относят к щелочности, и они
поддерживают значение рН около 8.
Растворение в воде газов
Растворение газов в воде идет с выделением теплоты (ΔН<0) и с
убылью
энтропии
(ΔS<0).
Согласно
уравнению
(ΔН=ТΔS),
самопроизвольному течению процесса растворения газов в воде
способствуют низкие температуры. При нагревании растворимость
уменьшается. Чем выше температура, тем более вероятно, что величина ТΔS
достигнет значения ΔН, а равенство ΔН=ТΔS отвечает равновесию процесса
растворения (ΔG=0), т.е. насыщению раствора.
Зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону
Генри: растворимость газа прямо пропорциональна парциальному давлению
газа. Так, например, парциальное давление углекислого газа СО2 в воздухе
составляет 0.2 мм.рт.ст., поэтому газ выделяется из газированной воды.
В табл. 3 для примера приведена растворимость наиболее
распространенных в природе и используемых в промышленности газов.
Концентрация растворенных газов в воде зависит от следующих
факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды,
парциального давления газа над водой, рН воды и т.п. Это во многих случаях
существенно затрудняет их аналитическое определение.
3
Таблица 3.
Растворимость газов в воде при нормальных условиях.
(растворимость выражена в м3 газа/м3 воды. для азота, водорода, воздуха и кислорода
растворимость дана при парциальном давлении 101325 Па, для остальных газов – при
общем давлении 101325 Па)
Газ
Азот
Аммиак
Водород
Воздух
Диоксид
углерода
Кислород
Хлор
Хлорид
водорода
0
0.0236
1300
0.0215
0.0288
10
0.019
910
0.0198
0.0226
Температура, ˚С
20
30
40
0.016
0.014
0.0125
710
595
0.0184 0.0170 0.0164
0.0187 0.0161 0.0142
1.713
0.049
507
1.194
0.038
3.148
474
0.878
0.031
2.299
442
0.66
0.026
1.799
412
0.53
0.023
1.438
386
50
0.0113
0.0161
0.0130
60
0.0102
0.0160
0.0122
0.44
0.021
1.225
362
0.36
0.019
1.023
339
Минерализация воды
Важной характеристикой природных вод является их жесткость. Как
известно, различают карбонатную (временную) и некарбонатную
(постоянную). Первая обусловлена присутствием в воде бикарбонатов Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2, вторая - сульфатами СаSO4 и MgSO4 или
хлоридами. Карбонатная жесткость устраняется кипячением или
прибавлением к воде Са(ОН)2:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О.
Постоянная жесткость устранима прибавлением к воде соды:
СаSO4 + NaCO3 = CaCO3 + NaSO4.
Сумма временной и постоянной жесткости воды составляет общую
жесткость, выраженную в миллиграмм-эквивалентах ионов Са2+ и Mg2+ на
литр воды. Вода с жесткостью менее 4 мг-экв/л называется мягкой, от 4 до 8 средней, от 8 - 12 - жесткой, больше 12 мг-экв/л - очень жесткой. Жесткость
отдельных естественных вод колеблется в весьма широких пределах. Для
открытых водоемов она часто зависит от времени года и погоды. Наиболее
«мягкой» природной водой является атмосферная вода, почти не содержащая
растворенных солей.
Содержание примесей в питьевых водах строго регламентировано.
Установлены максимально допустимые их концентрации, при которых они
не оказывают влияние на здоровье человека в течении всей жизни и не
ухудшают гигиенических условий водопользования. Только для питьевых
4
вод, используемых в качестве лечебных (минеральные питьевые лечебные и
лечебно-столовые воды), в связи с тем, что они употребляются человеком
эпизодически, допускаются более высокие концентрации отдельных веществ.
Минеральная - это такая вода, в которой содержание твердых
растворенных веществ составляет более 1 г/л или вода имеет температуру
более 20˚С. Критерий общей минерализации (1 г/л) для минеральных вод был
установлен произвольно и не имеет научного обоснования, однако на
практике он применяется многими странами. Под лечебными минеральными
водами следует понимать подземные воды, содержащие в повышенных
концентрациях минеральные (реже органические) компоненты и газы или
обладающие
какими-либо
особыми
физическими
свойствами
(радиоактивность, повышенная температура и т.д.), благодаря чему эти воды
оказывают на организм человека лечебное действие при наружном или
внутреннем применении. В настоящее время для отнесения природных вод к
минеральным действуют следующие нормы минимального содержания в них
биологически активных компонентов, мг/л: (СО2 – 500; Н2S (HS) – 10; Fe –
10; As – 0.7; Вr – 25; I – 5; H2SiО3 (+HSiO3) – 50; Rn – 185 Бк/л.
На современной стадии гидрогеологической изученности минеральных
вод выявлено большое их разнообразие (по химическому составу
содержащихся в них микрокомпонентов, степени минерализации, кислотнощелочным свойствам, радиоактивности и др.).
Подземные минеральные воды содержат многие химические элементы,
которые находятся в виде простых катионов и анионов, кислород-,
водородсодержащих анионов и сложных комплексных соединений. В
слабоминерализованных и маломинерализованных водах содержатся в
основном: HCO3-, SO42-, Ca, Mg, Cu, Zn, Mo и др. термальные воды содержат
преимущественно: Si, Fe, Al, Mg, B, Ti, Cr. Rb, As, V, Sb. Ge. Ga. В крепких
рассолах растворены ионы: Cl, Br, Ca, K, Sr, Ba, Ra, Li, Ag, Tl, Pb, La.
Минеральные лечебные подземные воды содержат в растворенном
состоянии разнообразные газы. В.И. Вернадский выделил 6 классов
природных вод по основному составу содержащихся в них газов: 1)
кислородные; 2) углекислые; 3)азотные; 4) метановые; 5) сероводородные;
6) водородные.
Минеральные воды могут быть от сильнокислых до сильнощелочных.
Величина рН зависит главным образом от присутствия в них СО2, НСО3-,
СО32-. В связи с тем, что растворимость диоксида углерода зависит от
давления и температуры, рН минеральной воды будет изменяться при
изменении Р-Т условий.
К сожалению, антропогенное воздействие коснулось не только
источников питьевого водоснабжения, но и источников минеральных вод.
Этому способствует строительство в городах-курортах промышленных
объектов, часто не имеющих отношения к курортам. Вокруг курортов
развивается сельскохозяйственное производство с применением удобрений и
ядохимикатов. Меры определения путей миграции техногенных
загрязнителей в минеральные воды разработаны еще слабо. Развитие
5
процессов загрязнения минеральных вод требует осуществления неотложных
мер по их охране. Первостепенное значение приобретают профилактические
мероприятия, направленные на предупреждение и недопущение загрязнения
минеральных вод.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие растворенные ионы входят в состав пресных вод ?
2. Как по соотношению величин Na+/(Na+ + Ca2+) можно определить
состав пресных вод ?
3. Какие факторы влияют на растворение газов в воде ?
4. Какие требования предъявляются к минеральным лечебным
подземным водам ?
6