Дождь Капель Дождей Мокрый Природа Воды
Изображение Krzysztof Pluta с сайта Pixabay

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ

§ 6. Химический состав природных вод и условия его формирования

Природные воды почти никогда не бывают химически чистыми, так как содержат различные вещества в растворенном и взвешенном состоянии. В процессе взаимодействия гидросферы с атмосферой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истинные растворы. — это такие, в которых растворенные вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превышающими 10_7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до 10-5 мм. Коллоидные растворы более устойчивы, но в природных водах они встречаются в незна­чительных количествах.

Природные воды различаются между собой по химическому составу, концентрации, соотношению и форме соединений между химическими элементами, находящимися в растворе.

Химический состав природных вод

Из известных в настоящее время химических элементов перио­дической системы Д. И. Менделеева более половины обнаружены в материковых и морских водах. Следовательно, по химическому составу природные воды представляют собой сложный комплексный раствор. Химический состав природных вод, по О. А. Алекину, условно можно подразделить на пять групп: 1) главнейшие ионы (хлоридные Cl’ , сульфатные SO», гидрокарбонатные ИСО3‘, карбонатные СО3«, ионы натрия Na’, калия К’, магния Mg» и кальция Са»); 2) растворенные газы (кислород О2, азот N2, двуокись углерода СО2, водород Н, сероводород H2S и др.) 3); биогенные вещества (соединения азота, фосфора, кремния); 4) микроэлементы и 5) органическое вещество. Газы и органическое вещество присутствуют в виде молекул, соли — в виде ионов и частично в виде комплексов, а некоторые минеральные и органические соединения — в виде коллоидов.

Минерализация природных вод

В процессе влагооборота, испаряясь с поверхности Земли, кон­денсируясь и выпадая в виде атмосферных осадков, вода сопри­касается с поверхностным покровом земной коры и проникает  в почву. Проникая в почву, она растворяет различные вещества, обогащаясь солями, органическими остатками и изменяя свой газовый состав. Ниже почвенного слоя вода соприкасается с грунтами и коренными породами, в результате чего еще более изменяет свой химический состав. Среди пород земной коры выделяют три источника минерализации природных вод: 1) изверженные породы, образующие растворимые соли в процессе химического выветрива­ния, 2) отложения солей (карбонаты, сульфаты, хлориды и др.) морского происхождения, связанные с взаимодействием океанов и материков, 3) соли, адсорбированные в различных осадочных породах и почвенном покрове. Кроме этих источников минерализации природных вод, огромное значение имеют продукты выделения из недр Земли при вулканических извержениях, из гейзеров и минеральных источников. Большое влияние на формирование и режим природных вод оказывают физико-географические и климатические- условия, морфологические и другие особенности водоема.

На химический состав природных вод оказывает влияние и дея­тельность людей. Бурный рост городов, промышленных объектов, сооружение каналов, водохранилищ и т. д. нарушают естествен­ный гидрохимический режим и изменяют состав природных вод.

Мировой океан

По химическому составу материковые и океанические воды различаются по количественным соотношениям между главнейшими ионами, В материковых водах имеют место HCO3‘>SO4«>Cl’ и Ca»>Mg»>Na’ или Ca»>Na’>Mg», а в океанических наблюдаются Cl’>SO4«>HCO’3 Na’->Mg»>Ca». Сопоставление ионного  состава материковых и океанических вод свидетельствует о большой инертности вод Мирового океана и их однородности, связанной с мощной вертикальной и горизонтальной циркуляцией, а также со свободным водообменом между отдельными частями океанов и морей.

Воды Мирового океана отличаются постоянством солевого состава, т.е. постоянством количественных соотношений между главнейшими ионами, не зависящих от концентрации раствора.

Растворенные в воде газы

Большое значение для биологических, биохимических и других процессов, происходящих в материковых и океанических водах, имеют растворенные в воде газы. Из растворенных газов наибольшее значение имеют кислород О2 и двуокись углерода СО2. Особое положение занимает ион водорода Н, хотя и содержащийся в природных водах в небольших количествах, но имеющий большое значение для биологических процессов. Растворимость газов в воде- зависит от давления газа на поверхность воды (парциального-давления), температуры и степени минерализации воды. Зависимость растворимости газов от парциального давления определяется законом Генри—Дальтона и может быть выражена формулой

С=104kр,                                               (2)

где С — растворимость газа в мг/л; k — коэффициент, выражающий растворимость газа при давлении 1 атм; р — парциальное давление в атмосферах. Парциальное давление содержащегося в воздухе кислорода равно 0,2099 атм, азота 0,7804 атм и двуокиси углерода 0,0003 атм. Растворимость газов в воде уменьшается с увеличением ее минерализации и с повышением температуры (табл. 4).

                                                       Таблица 4

Растворимость газов в воде (в мл/л) при давлении 1 атм

$ t=0° с / = 24° С
О2 N2 со2 O2 N2 CO2
0 49,24 23,00 1715 29,38 14,63 782
16 40,1 15,02 1489 24,8 9,36 695
20 38,2 14,21 1438 23,6 8,96 677

Из табл. 4 видно, что растворимость кислорода при одном и том же парциальном давлении более чем вдвое превышает раство­римость азота. В воздухе соотношение объемов кислорода и азота равно 1 :4 (отношение парциальных давлений), а в воде 1 : 2.

Кислород в воде

Обогащение воды кислородом происходит за счет поступления кислорода из атмосферы и в результате выделения кислорода растениями в процессе фотосинтеза. Уменьшение количества кислорода в воде происходит в связи с потреблением кислорода на окисление органического вещества (дыхание водных организмов, брожение, гниение органических остатков), а также в результате выделения кислорода в атмосферу. Содержание растворенного кислорода в природных водах колеблется как во времени, так и в про­странстве.

Двуокись углерода в воде

Двуокись углерода находится в воде преимущественно в виде растворенных молекул газа. Часть этих молекул, вступая во взаи­модействие с водой, образует угольную кислоту Н2СО3. Обычно не разделяют СО2 и Н2СО3 и под двуокисью углерода подразумевают их сумму (СО22СО3). Почти во всех природных водах в том или ином количестве содержится двуокись углерода. Она обязана своим происхождением различным процессам, связанным с окислением органических веществ и выделением СО2, происходящим как непосредственно в воде, так и в почвах, с которыми она соприка­сается. Кроме того, обогащение природных вод двуокисью углерода происходит в результате сложных геохимических реакций, имеющих место в глубоких слоях Земли в связи с процессами в осадочных породах.

Расходование СО2 происходит главным образом путем перехода в атмосферу вследствие перенасыщенности воды СО2, в результате перевода карбонатных пород в раствор и путем потребления СО2 растительными организмами при фотосинтезе.

Ионы

Как уже отмечалось, ионы водорода содержатся в воде обычно в весьма малых количествах. В химически чистой воде ионы водорода появляются в результате ее частичной диссоциации: Н2О = H + OH. В природных водах концентрация водородных ионов в значительной мере зависит от диссоциации угольной кислоты: Н2СОз↔НСО’3 + Н’. Ион водорода Н — это носитель кислотных свойств в растворе, гидроксильный ион ОН’ — щелочных свойств. В химически чистой воде оба иона находятся в равных количествах, поэтому химически чистая вода нейтральна. При нейтральной реакции концентрация ионов водорода равна 107 г/л. Обычно кон­центрацию ионов водорода в воде выражают в виде степенного показателя (десятичного логарифма), взятого с обратным знаком, и обозначают величину концентрации символом pH:

                           pH=-lg|H+|                                                           (3)

Таким образом, вода с нейтральной реакцией имеет pH = 7. При pH, меньшем семи, реакция будет кислая, при pH, большем семи,— щелочная. Большинство природных вод характеризуется pH в пре­делах от 6,5 до 8,5.

К группе биогенных веществ, находящихся в воде, принадлежат прежде всего ионы нитратный NO3‘ и нитритный NO2‘, ионы аммония NH4 и фосфорной кислоты Н2РО4‘ и НРО2«. Биогенные вещества образуются в природных водах по преимуществу в результате распада органических веществ, претерпевающих химические изменения под влиянием биологических процессов. Вещества эти в природных водах содержатся в весьма малых количествах (в пределах от тысячных до десятых долей миллиграмма в кубическом метре), но имеют важное значение для развития жизненных процессов. Кроме соединения фосфора и азота, к биогенным веществам относятся соединения железа и кремния.

Микроэлементы

К микроэлементам относится большое число (более 40) найденных в природных водах элементов, таких, как литий (200 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), иод, барий, марганец, медь, титан, цинк и др. Микроэлементы содержатся в природных водах в очень малых количествах, большей частью в пределах от тысячных до десятых долей миллиграмма на литр.

В природных водах, кроме неорганических соединений, всегда имеются органические вещества, представляющие собой продукты распада различных организмов — растений и животных. Они попадают в природные воды и извне и образуются в самих водоемах. В водоемы поступают вещества, вымываемые водой из почвы, торфяников, а также остатки растений, смываемые с поверхности земли. Состав этих веществ сложен. Их присутствие в воде придает ей желтоватую окраску. Эти вещества часто называют гуминовыми. Другим внешним источником поступления органических веществ в водоемы являются сбрасываемые в них сточные и промышленные воды. В самих водоемах органические вещества появляются в результате жизнедеятельности и отмирания живых организмов.

Изучение химического состава природных вод суши и Мирового океана имеет огромное значение для исследования круговорота химических элементов, выяснения эволюции жизни на Земле, исполь­зования продукции океанов, морей, озер и рек. В воде присутствуют все элементы, необходимые для развития животной и растительной жизни, сосредоточены колоссальные пищевые и сырьевые ресурсы Земли.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973

Вас так же может заинтересовать:

Строение воды, ее аномалии и важнейшие физические свойства