Химический состав и гидрохимический режим рек Европейской части

Размещено на http://www.allbest.ru/

Химический состав и гидрохимический режим рек Европейской части

Выполнили

магистранты 2 курса

Наумова В.О.

Соларев В.И

Преподаватель

к.г.н., доцент

Китаев А.Б.

Введение

Гидрохимия -- химия природных вод -- как научная дисциплина сформировалась сравнительно недавно. Выделению ее в самостоятельную научную дисциплину способствовал быстрый рост ряда наук -- химии, геохимии, гидрологии, почвоведения, "биологии и др., плодотворное развитие которых связано с изучением химии растворов. Химический состав природных вод находится в тесной взаимосвязи с общим комплексом физико-географических условий, в связи с чем его можно считать элементом географического ландшафта.

В природных условиях вода не встречается в химически чистом состоянии. В результате постоянного соприкосновения с различными веществами она представляет собою раствор, часто весьма сложного состава. Именно способность воды растворять различные вещества определяет ее особую роль в преобразовании облика Земли, в существовании жизни на ней. При участии воды происходят процессы химического выветривания и разрушения коренных изверженных пород и создаются различные обломочные породы, слагающие верхние слои литосферы. Вода участвует в образовании, разложении и изменении состава различных минералов. Вследствие растворения водой сравнительно легкорастворимых веществ разрушаются мощные отложения осадочных пород, образуются карсты.

В качестве объектов исследования были выбраны реки Европейской части. В данной работе были описаны основные факторы формирования химического состава природных вод, а также основные элементы, присутствующие в этих водах. В последней главе реферата рассмотрены гидрохимический режим и состав природных вод, а именно Волги, Дона, Днепра, Оки.

1. Факторы формирования химического состава природных вод

Факторы, определяющие формирования химического состава природных вод, могут быть разделены на 2 основные группы.

К первой группе следует отнести прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду:

горные породы

почвы

живые организмы

деятельность человека.

Ко второй группе относятся косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, водный режим, растительность, гидрогеологическое и гидродинамические и прочие условия.

1.1 Горные породы и минералы

Горные породы и минералы как источники солей для минерализации природных вод целесообразно разделить на 3 группы:

Изверженные

Магматические породы, образующие растворимые соли при их разложении

Соли, рассеянные в сухом, растворенном или адсорбированном состоянии в различных осадочных породах

Минералы и растворимые соли, находящиеся в виде скоплений или залежей (известняк, доломиты, гипсы, каменная соль и прочее)

Роль этих источников для минерализации природных вод в современных условиях различна. Наименьшее значение имеет процесс разложения изверженных пород, протекающий медленно, хотя именно с ним в истории Земли связано образование большей части солевой массы в океане и на континенте. Роль же остальных видов источников зависит от местных условий.

Изверженные, магматические породы.

Хотя земная кора на 95% составлена именно этими породами (граниты, андезиты, базальты, гранодиориты и др), в коре выветривания они представлены главным образом в виде отдельного обломочного материала различной степени измельченности. Кажущаяся стойкость к воде этих твердых кристаллических пород объясняется образованием на их поверхности весьма прочной корки(пленки) толщиной от 0.014-0,16 мм. Впервые эта порода была обнаружена А.Д. Кушманом и П.Хубартом (1908), а затем изучена К.В. Корренсом и И.В.Энгельгардтом (1938). Она состоит из продуктов выветривания - сложных алюмосиликатов, образовавшихся при взаимодействии породы с водой, обладает большой прочностью и предохраняет породу от дальнейшего воздействия на нее воды. Опыты показывают, что мелко измельченный порошок любой изверженной породы, помещенный в дистиллированную воду, создает в растворе даже через несколько минут щелочную реакцию. Одновременно в растворе повышается концентрации гидроксильных ионов, в связи с чем эту реакцию часто называют гидролизом алюмосиликатов, а явление в целом - выщелачиванием породы.

Скорость взаимодействия алюмосиликатов с водой быстро уменьшается во времени. В первые момент в раствор переходит значительное количество растворимых веществ, затем реакция замедляется. Образуется корка, препятствующая непосредственному воздействию воды на породу, скорость реакции лимитируется медленностью диффузии ионов через образовавшуюся корку твердых продуктов выветривания. Спустя некоторый промежуток времени (измеряемый, по- видимому, десятками лет), скорость реакции становится столь малой, что порода может существовать неизменной долго, пока поверхностная корка не будет нарушена.

Соли, рассеянные в осадочных породах

Из многочисленных типов осадочных пород, различающихся по степени цементации, минералогическому составу и происхождению, остановимся на 2 основных группах - глинах и песках, измельченность которых представляет наибольшее значение для минерализации воды. Глинистые породы составляющие большую часть осадочных пород, по минералогическому и химическому составу представляют собой очень сложные системы, по степени своей дисперсности близкие к коллоидным. Основная их масса состоит из глинистых минералов, а в менее тонких фракциях - из различных обломочных зерен, входящих в алюмосиликатную породу (кварц, полевые шпаты, слюды).

Континентальные особенно аллювиальные и делювиальные глинистые отложения, хорошо перемыты, но глины морского происхождения и особенно связаны с лагунами древних морей могут быть сильно засолены. Глины характеризуются чрезвычайно плохой проницаемостью воды, поэтому вымывание из них солей всецело связаны с условиями контакта породы с водой. Вымывание солей при непосредственной фильтрации через глину практически ничтожно, но оно возрастает при переходе к суглинкам и супесям.

Большое значение для ионного состава природных вод имеет способность глин удерживать значительное количество поглощенных ими ионов. Эта способность является следствием сильно развитой поверхности высокодисперсных глинистых минералов.

Песчаные породы обладают лучшей фильтруемостью, поэтому содержание в них солей, и, следовательно, способность минерализовать воду зависят от их происхождения и климатических условий. Пески морского происхождения, особенно в засушливых условиях, содержат много сухих солей и естественно сильно минерализуют воду, так же как и пески в засушливых условиях при наличии близких грунтовых вод или находящиеся в аллювиальных отложениях. В условия избыточного увлажнения, хорошо фильтрующееся пески, особенно кварцевые, мало минерализуют воду. Наличие в песках повышенного количества полевых шпатов (аркозы, граувакки) должно влияет на состав воды. В условиях переносимого реками аллювия подобные пески подвергаются выветриванию аналогично изверженным породам.

1.2 Залежи солей

Соли в осадочных породах образуют местами скопления, очень больших размеров, являющиеся постоянным источником минерализации воды. Такой состав солей естествен поскольку они происходят из летучих продуктов дегазации мантии (CO2, So2 HCL) и изверженных пород, в которых наиболее распространены именно эти металлы. Общее количество солей на суши огромно и может быть оценено углекислых солей около 90*1015 т, для CaSo4 около 6.4 *1015 т и NaCl и KСl около 5*1015 т. (при всей массе осадков в литосфере, по А. Полдерварту около 1474*1015т)

Это преимущественно соли морского происхождения, залегающие в осадочных породах: CaCo3, мергеля, доломиты и CaCo3, MgСо3, каменная соль Nacl, гипс CaS04*2Н 2O.

Растворимость CaСo3 при фильтрации через него дистиллированной воды очень мала и далека от равновесной.

1.3 Почвы

Почвенные покров, несмотря на его сравнительно небольшую толщину, имеет очень важное значение для минерализации природных вод. Это определяется положением почв на разделе между литосферой и атмосферой, где под влиянием солнечной энергией одновременно идут биологические процессы создания биологической массы и биохимические процессы ее трансформации. Почвы представляют собой сложное природное тело, сформировавшиеся в результате взаимодействия живых организмов с породами в определенных условиях климата и рельефа. В состав почвы, помимо основной минеральной (90-95%), входят органические и органоминеральные составляющие, чем она и отличается от горной породы. Органическая часть почвы состоит из продуктов распада растений и живых организмов различной степени измельченности и трансформации, подвергнувшихся сложной биохимической переработки. Кроме живых организмов (черви, личинки, микробы), в органическую часть почвы входит, во-первых, почвенный гумус, то есть продукты сложного биохимического превращения остатков отмерших растений и животных (85-90% всей органической части); во-вторых, продукты жизнедеятельности и распада организмов иного чем гумус состава: протеины, углеводы, жиры, смолистые вещества, органические кислоты и другие.

Повышение минерального состава фильтрующихся через почву маломинерализованных атмосферных осадков. Это происходит как за счет вымывания почвенного раствора, так и при растворении кристаллических солей, содержавшихся в почве. Почвенный раствор служит средой, через которую происходит обмен между обменными составляющими почвы. Его ионный состав очень динамичен и зависит от материнской породы, на которой развивалась почва, гидрометеорологических условий, биохимических и биологических процессов, состава грунтовых вод и многое другое.

В результате почвы в зоне избыточного увлажнения (подзолистые, дерновые, бурые серые лесные), где толща почв промывается до грунтовых вод, слабо обогащают фильтрующихся через них атмосферные осадки, особенно хлористыми и сульфатными солями. Тундрово-глеевые и болотные почвы, питающиеся почти исключительно атмосферными осадками, также мало обогащают ионный состав фильтрующиеся воды, но сильно обогащают ее органическими веществами, количество которых часто превышает концентрацию растворенных минеральных веществ. В областях с сухих климатов почва промачивается осадками в кратковременный весенний период лишь на небольшую глубину. Основное направление движение почвенной влаги в остальное время года - движение вверх к поверхности почвы. Редкие же летние дожди, не образуя стока, только частично увлажняют поверхность иссушенной почвы.

Такие почвы (каштановые, луговые каштановые, бурые, пустынно-степные и др) содержат кристаллические соли, почвенный раствор их имеет значительную концентрацию, а воды образующегося кратковременного стока обладают повышенной минерализацией. Особенно засолоняются почвы засушливых областей при близости грунтовых вод к поверхности Земли. В зонах, промежуточных между рассмотренными крайними условиями увлажнения, то есть в зонах достаточного и умеренного увлажнения, большую часть года, за исключением небольших сухих летних периодов, происходит частичное промывание почв. Интенсивность промывания солей из почвы, помимо того, зависит от состояния поверхности почвы. При промерзшей или переувлажненной почве быстро стекающие осадки соприкасаются лишь с самыми поверхностными ее слоями, а это создает ограниченность вымывания солей и малую минерализацию вод поверхностного стока.

Изменение ионного состава воды, фильтрующиеся через почву. Это важная функция в почве происходит в результате обменных реакций между ионами воды и ионами поглощающего комплекса почв. Почвам, также как и глинистым породам, присуще наличие сорбционных свойств, поскольку основная часть их состоит из материнской породы, на которой развивалась почва. Поэтому в почвах так же есть поглощающий комплекс, характеризуемый обменной емкостью поглощенных катионов и в значительной меньшей мере анионов, исключая отдельные почвы (латеритовые, красноземы).

Обмен комплекс почв состоит в постоянном взаимодействии ионов с почвенным раствором регулируя его состав. Поглотительная способность почв связана с наличием не только высокодисперсной минеральной фракции, но и коллоидной фракции органических веществ - почвенного гумуса. Именно с гумусом связана высокая обменная емкость черноземных почв.

Катионы поглощаемого комплекса могут быть заменены эквивалентным количеством других катионов, которые более энергично удерживаются почвой. Следовательно, между поглощающим комплексом почвы и взаимодействующим с ним составом воды будет устанавливаться подвижное равновесие, при котором количество поглощенных катионов того или иного вида будет зависит от адсорбционной способности, так и от их концентрации.

Усиление способностью почвенного раствора и фильтрующихся через почву атмосферных осадков растворять породы и минералы. Это одно из важнейших свойств почвы, влияющих на формирование состава природных вод, происходит в результате увеличения концентрации двуокиси углевода в почвенном растворе, выделяющийся при дыхании живых организмов и корневой системы в почвах и биохимическом распаде органических остатков.

Другим фактором, усиливающим агрессивное действие фильтрующихся через почву вод, являются органические кислоты, образующиеся в почвах при трансформации растительных остатков. Среди них особенно следует отметить фульвокислоты, распространенные в северных почвах.

Почвы представляют собой ту сферу, в которой под влиянием лучистой энергии солнца и воды проявляется геохимическая роль организмов.

1.4 Живые организмы

Жизнедеятельность живых организмов, населяющих природные воды, изменяет химический состав природной воды. Создание путем фотосинтеза органического вещества в водоемах (первичная продукция).

Очень важно, что в этом процессе растения не только создают первичную органическую материю, но и осуществляют важнейший энергетический процесс аккумуляции химической энергии, который обеспечивает жизнь всем животным и создает условия для протекания многих химических процессов.

Разложение остатков, отмерших растительных и животных организмов, происходящие под действием бактерий. Этот процесс в зависимости от условий может протекать с полным распадом органических веществ, до простейших минеральных соединений или путем образования других сложных органических и неорганических веществ (гумуса).

Изменение состава растворенных в воде газов в процессе жизнедеятельности организмов. Это прежде всего обогащение воды кислородом, выделяемым при фотосинтезе и наоборот уменьшение Co2, поглощаемой при этом же процессе. Кроме того, при дыхании организмов и биохимических процессов выделяется в воду двуокись углерода и другие газы: сероводород, аммиак, метан и углеводороды.

Извлечение организмами из воды в процессе своей жизнедеятельности химических элементов (N,P,C,Ca,K, микроэлементы) это извлечение протекает в водоемах в больших масштабов, причем многие организмы действуют селективно, концентрируя определённые элементы. Есть организмы, концентрирующие медь, йод и другие элементы, количество которых в них по сравнению с окружающей средой может быть повышены в сотни и тысячи раз.

1.5 Деятельность человека

Особое положение в воздействие живых организмов на химический состав природной воды имеет человек. В результате технической деятельности человека из недр земли извлекаются миллиарды тонн различных веществ (NaCl,CaSo4,CaSo3,Co2, из нефти и угля металлы и прочее), вовлекаемых в круговорот, что меняет режим водоемов, структуру почв, загрязняет атмосферу, поверхностные и подземные воды.

1.6 Косвенные факторы

Рельеф

Рельеф является косвенным фактором формирования состава вод. Он оказывает влияние на условия водообмена, от которых зависят минерализация и химический состав природных вод. Степень расчлененности рельефа определяет поверхностный сток и дренированность подземных вод. Рельеф перераспределяет выпадающие на земную поверхность осадки. На возвышенностях и их склонах усиливается поверхностный сток, а условия питания подземных вод ухудшается. В пониженных формах рельефа поверхностный сток наоборот замедляется, вследствие чего увеличивается инфильтрация воды в почву. С рельефом местности связаны солевой режим почв, заболоченность местности, обуславливающая специфический состав вод.

Климат

Климат прежде всего определяет метеорологические условия, от которых зависит водный режим поверхностных и подземных вод. К основным метеорологическим элементам, воздействующим на состав природных вод, относятся атмосферные осадки, температура и испарение.

Первая стадия формирования химического состава природных вод осуществляется в атмосфере. Из всех природных вод наиболее быстрые изменения минерализации и состава во времени и пространстве наблюдается у атмосферных осадков. Минерализация атмосферных осадков, как правило, ниже минерализации речных и озерных вод. Выпадающие осадки обычно уменьшают минерализацию поверхностных и подземных вод. Однако минеральные соли, содержащиеся в атмосферных осадках, в той или иной степени оказывают влияние на формирование химического состава поверхностных вод. Влияние температуры воздуха может отражаться на составе вод как самосадочных озер, так и пресных поверхностных вод. В последнем случае изменение состава воды совершается в результате выпадения из нее карбонатов кальция при повышении температуры.

Химический состав вод изменяется также под влиянием низких температур в процессе промерзания. При кристаллизации льда выделяются труднорастворимые соединения, а в растворах сохраняются наиболее легко растворимые при низких температурах соединения, к которым принадлежат хлориды кальция, магния и натрия.

Испарение

Один из мощных факторов формирования минерализации и химического состава поверхностных и грунтовых вод. Наиболее действенным этот фактор становится в тех районах, где отношение суммарного испарения к сумме атмосферных осадков оказывается самым высоким, то есть в области пустынь, полупустынь и сухих степей. В результате этого гидрокарбонатные воды преобразуются сначала в сульфатные, а затем сульфатно- хлоридные и даже хлоридные.

В засушливой зоне земного шара процесс испарения обусловливает постепенное концентрирование солей в грунтовых водах.

Выветривание

Это совокупность процессов разрушенных пород, находящихся на земной поверхности или вблизи нее, под влиянием колебаний температуры, химического воздействия атмосферных осадков, воды и живых организмов. Различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физического выветривание происходит главным образом под влиянием колебаний температуры и неравномерного нагревания пород солнечными лучами. Оно приводит к механическому раздроблению пород на различного размера обломки. В областях, где температура опускается ниже нуля, разрушение пород происходит за счет расширения льда при замерзании воды.

Химическое выветривание горных пород складывается из следующих процессов: растворение, гидролиза, гидратации, окисления. Все перечисленные процессы являются экзотермическими, то есть протекают с выделением тепла. Значительно сложнее вопрос о растворимости магматических пород, так как при действии на них воды практически невозможно отделить процессы простого растворения от гидролитических процессов. Различают два вида химического выветривания: углекислотное и сернокислотное.

Биологическим выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения минералов горных пород под воздействием поселившихся на них организмов, продуктов их жизнедеятельности и продуктов разложения органических остатков.

Особенно интенсивно выветривание протекает там, где количество атмосферных осадков превышает испаряемость, а температура достаточно высока. Следует отметить, что состав природных вод обуславливается не простыми абиотическими реакциями гидролиза и растворения, а более сложным, хотя и более быстро протекающим процессом.

2. Химический состав природных вод

2.1 Главные ионы

В природных водах установлено присутствие более 70 химических элементов. Наиболее распространённые анионы: HCO3-, SO42-, Cl-, CO32, HSiO3- и катионы: Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Fe2+. Содержание главных ионов в пресных водах составляет 90-95% от общего солесодержания.

В природных водах постоянно присутствуют ионы Ca2+ и Mg2+, которые обуславливают общую жёсткость. Основной источник их поступления в воду - растворение пород, содержащих известняки, доломит, гипс, сложные алюмосиликаты. В санитарно-гигиеническом отношении ионы Ca2+ и Mg2+ не представляют опасности, но значительная жёсткость делает воду непригодной для химико-бытовых и производственных нужд.

К числу главных ионов, содержащихся в природных водах, относятся ионы: которые образуют основную часть их минерального состава. Главные ионы определяют химический тип воды, иначе их называют макрокомпонентами. Микрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах выражается первыми единицами миллиграммов в литре, в рассолах же достигает несколько сотен промилле.

Хлоридные ионы обладают высокой миграционной способностью, то есть способностью к перемещению, определяемой физико-химическими константами данного иона и условиями среды, в которой происходит миграция. Они не образуют трудно растворимых минералов, не адсорбируются коллоидными системами, не накапливаются биогенным путем. Растворимость хлоридных солей натрия магния и кальция очень высокая. Вследствие указанных причин хлоридные ионы беспрепятственно мигрируют с водами. Они присутствуют во всех природных водах от следов до первых сотен грамм на литр рассола. В слабо -- и умеренно минерализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. С увеличением минерализации содержание их растет абсолютно и относительно. В водах повышенной минерализации ионы хлора по количественному содержанию занимают первое или второе место. Основным источником поступления иона хлора в природные воды являются:

-- хлористые минералы (галит, сильвинит) из горных пород, почв (особенно солончаков) и скопления солей;

-- атмосферные осадки;

-- вулканические выбросы; -- стоки промышленных предприятий и хозяйственно - бытовые отходы.

В природных водах анионы хлора чаще всего уравновешиваются с катионами натрия, реже и, в исключительных случаях

Сульфатные ионы также обладают хорошей подвижностью, но уступают в этом отношении хлоридным ионам. Коллоиды почв почти не задерживают их и только во влажных тропиках возможно адсорбирование этого иона положительно заряженными гидроксилами железа и алюминия. Содержание сульфат ионов в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов кальция, которые образуют с сравнительно малорастворимый сульфат кальция. При невысоком же содержании кальция в минерализованных водах наблюдается концентрация сульфатных ионов, выражаемая десятками граммов на 1 литр воды. В отсутствии кислорода сульфатные ионы становятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводорода. Основная роль в этом процессе принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, развивающими свою деятельность при наличии органического вещества. Схематически восстановление сульфатов изображают следующим образом:

Основным источником появления в воде сульфатов являются различные осадочные породы, в состав которых входят гипс и ангидрит.

Гидрокарбонатные и карбонатные ионы являются важнейшей составной частью химического состава природных вод. Оба эти иона, будучи производными, угольной кислоты, находятся в растворе в динамическом равновесии между самой угольной кислотой и составляющими ее ионами в определенных количественных соотношениях:

Изменение содержания одного из членов этого равновесия влечет за собой изменение другого. Эти ионы образуют карбонатную систему химического равновесия, имеющую большое значение в природных водах. Теоретически рассчитанные соотношения между компонентами карбонатного равновесия в зависимости от pH даны в таблице.

Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых. Они, как правило, доминируют в водах низкой и довольно часто в водах умеренной минерализации. Накопление в воде ионов лимитируется присутствием кальция, образующего с гидрокарбонат ионами слаборастворимую соль. В природных водах при преобладании кальция не наблюдается большого содержания ионов. Обычно в реках и озерах оно не превышает 250 мг/л.

Считается общепризнанным, что источником гидрокарбонатов и карбонатов служат различные карбонатные породы - известняки, доломиты, мергели и др., карбонатный цемент многих осадочных пород. Растворение карбонатов кальция и магния происходит по следующим уравнениям:

Нередко источником появления в природных водах является воздух и микро биохимические процессы. По данным почвоведов, воздух кластической массы продуктов выветривания содержит до 1 % и более. Содержание углекислого газа на глубине шести метров от поверхности Земли может достигать 7 %. Столь высокие концентрации зачастую и обуславливают высокие содержания в подземных водах.

Ионы натрия по распространенности среди катионов стоят на первом месте. Натрий в своих соединениях проявляет степень окисления +1. Все соли натрия обладают хорошей растворимостью, что обуславливает его миграцию преимущественно в ион растворенном виде. Миграционные возможности натрия весьма широки. В этом отношении он уступает только иону хлора, т.к. может вступать в обменные реакции с поглощением комплекса пород и, следовательно, выводится из раствора. Последним объясняется наблюдаемое иногда отставание концентраций натрия от хлора в процессе роста минерализации воды. В водах низкой минерализации натрий чаще всего занимает 3 место по концентрации, хотя в коре выветривания изверженных пород нередко встречаются слабоминерализованные воды с преобладанием натрия.

С повышением минерализации содержание натрия увеличивается, уже и в водах, имеющих минерализацию несколько граммов на литр, натрий в большинстве случаев становится преобладающим катионом. Большая часть ионов натрия уравновешивается ионами хлора, образуя подвижное и устойчивое соединение, которое со значительной скоростью мигрирует в растворе. Меньшая, но все же значительная часть натрия мигрирует в форме сернокислых солей. В земной коре содержание натрия составляет 2,5 % по массе. Большая часть его атомов входит в состав различных силикатов.

Одним из источников появления натрия в водах являются продукты выветривания изверженных пород. Другим важным источником натрия в водах служат залежи его солей, главным образом каменной соли, и рассеянные в почвах и породах его соединения (кристаллики минералов галита, мирабилита). Так же являясь одновалентным ионом, натрий вытесняется из поглощенного комплекса пород и почв двухвалентными ионами кальция и магния, что способствует накоплению его в природных водах.

Ионы калия по химическим свойствам и содержанию в земной коре имеют большое сходство с ионами натрия. Калий, так же как и натрий образует легкорастворимые соединения с главными ионами ( ). Однако ионы калия содержатся в природных водах в очень незначительных концентрациях, за исключением атмосферных осадков. Количество калия обычно составляет около 4-10 % содержания натрия, с наибольшим процентом в слабоминерализованных водах. Но это соотношение под влиянием локальных условий часто нарушается. Причина указанного явления заключается не в химических свойствах данного элемента, а в слабой миграционной способности калия, обусловленной главным образом его большей биологической потребностью для живых организмов, в первую очередь для растений. Относительная концентрация ионов калия в атмосферных осадках значительно выше, чем в других видах природных вод.

Кальций среди щелочных и щелочноземельных металлов обладает наивысшим Кларком (3,6), его содержание в известняках, мергелях и некоторых других породах может превышать 10 % (max - до 40 %). Среднее содержание кальция в живом организме составляет 0,5 %. Этот элемент активно участвует в биологических процессах. После смерти органических веществ кальций быстро переходит в минеральную форму и поступает в почву. Поэтому почвенные растворы, как правило, являются кальциевыми. Кальций преобладает и в поглощенном комплексе почв и пород. Ионы кальция доминируют в катионном составе слабоминерализованных вод. Гидрокарбонатные кальциевые воды имеют региональное распространение в хорошо дренированных местностях.

С ростом минерализации содержание кальция резко уменьшается. Это объясняется сравнительно низкой растворимостью сернокислых и низкой растворимостью углекислых солей кальция, вследствие чего при испарительном концентрировании природных вод, имеющим место в аридных условиях, непрерывно выводится из раствора громадное количество кальция в виде и. По этой причине количество кальция в природных водах редко превышает 1 г/л, обычно его содержание значительно ниже. Одним из важных источников кальция в природных водах являются известняки, доломиты и известковый цемент горных пород, которые растворяются в воде по следующей схеме:

Магний по своим химическим свойствам близок к кальцию, Кларки их одного порядка (2,10 и 3,6), но миграция этих элементов протекает по-разному. Биологическая активность у магния выражена слабее, чем у кальция. В поглощенном комплексе пород магний связывается слабее, чем кальций, этот элемент входит в состав многочисленных вторичных силикатов. Хотя ионы магния присутствуют почти во всех природных водах, но, тем не менее, очень редко встречаются воды, в которых магний доминирует. Обычно в маломинерализованных водах преобладает кальций, в сильноминерализованных - натрий. Однако лучшая растворимость сульфата и гидрокарбоната магния по сравнению с CaSO4 и Ca(HCO3)2 способствует концентрированию магния в природных водах. Ионы магния поступают преимущественно при растворении доломитов, мергелей или продуктов выветривания основных (габбро), ультраосновных (дунит, перидотит) и других пород. В водах, формирующихся в перечисленных породах, даже на низких стадиях минерализации ионы магния занимают первое место в катионном составе или разделяют первенство с ионами кальция.

Содержание их в пресных поверхностных водах изменяется в широких пределах. Главные ионы поступают в природные воды из горных пород, минералов, почвы, а также в результате производственной деятельности человека. Обычно ионная сила пресных поверхностных вод не превышает 0,01.

Интересно отметить, что в открытом океане независимо от абсолютной концентрации соотношения между главными компонентами основного солевого состава остаются примерно постоянными.

2.2 Биогенные вещества

Биогенное вещество -- это органогенные осадочные породы, состоящие из продуктов жизнедеятельности живых организмов или представляющие собой их разложившиеся остатки (известняки, ракушечные породы, горючие сланцы, ископаемые угли, нефть и др.). Они являются источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии. В. И. Вернадский отмечал, что вещество биосферы состоит из 7 разнородных частей, геологически не случайных: живое вещество, биогенное, косное, биокосное и др.

К группе биогенных веществ, находящихся в воде, принадлежат прежде всего ионы нитратный N0 и нитритный N0, ионы аммония и фосфорной кислоты и Н2РО". 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

К биогенным элементам в природных водах относятся азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Они имеют особое значение в развитии жизни в водоемах. Азот и фосфор являются обязательными составными частями тканей каждого живого организма. Их роль в природных водах аналогична роли азотных и фосфорных удобрений для сельскохозяйственных культур, без них не могли бы развиваться и водные растения, а, следовательно, и животные. В свою очередь концентрации биогенных элементов и их режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в водоемах. Выделение этой группы до некоторой степени условно, так как в жизненных процессах, происходящих в природных водах, участвует и ряд других элементов (Са, Мg, К и др.).

Азот содержится в природных водах в виде ряда неорганических и большого числа разнообразных органических соединений.

Из неорганических соединений в воде содержатся аммонийные NH4+, нитритные NO2-и нитратные NО3-ионы.

В органических соединениях азот находится главным образом в составе белка тканей организмов и продуктов его распада, образующихся как при отмирании самих организмов, так и при распаде продуктов их жизнедеятельности. Органические соединения, содержащие азот, присутствуют в воде в самых различных формах взвесей (остатки организмов), коллоидов и растворенных молекул, образовавшихся при биологических процессах и биохимическом распаде остатков организмов.

Неорганические соединения азота (нитраты, нитриты, аммоний) совершенно необходимы для жизни растений как питательные вещества. Они усваиваются растениями в процессе фотосинтеза и входят в состав тканей их организмов, а если этими растениями питаются животные, то и в состав животных организмов. При интенсивном развитии водных растений неорганический азот может быть полностью извлечён из воды. В этом случае дальнейший рост растений приостанавливается.

Из источников связанного азота в природных водах прежде всего, следует отметить поступление нитратов с дождевой водой, в которую последние попадают, с одной стороны, в результате окисления различных азотосодержащих соединений в почве и атмосфере, с другой - при окислении азота электрическими разрядами в атмосфере, затем -- менее широко распространенный процесс связывания азота азотфиксирующими бактериями, имеющими значение для жизни в природных водах.

Кроме указанных естественных источников для неорганических соединений азота, в природных водах существует еще источник, приобретающий все большее значение, -- поступление соединений азота с промышленными и особенно бытовыми сточными водами. Эти соединения являются одним из показателей ухудшающегося санитарного состояния водоемов.

Концентрация NH4+в незагрязненных поверхностных водах обычно составляет сотые доли мгN/л и редко повышается до 0.5мгN/л.

Повышение количества аммония могут быть в анаэробных условиях, где невозможен процесс нитрификации. Очень большие его количества встречаются в подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными слоями и в застойных участках морей. Например, в глубинной зоне Черного моря концентрация NH4+доходит у дна до 1,2 мг/л.

Кроме ионного состояния, аммониевая группа находится в природных водах в сложных органических соединениях, получающихся при неполном распаде белковых веществ.

Концентрация нитритов в естественных условиях из-за их нестойкости очень незначительна. Большую часть года в поверхностных водах нитриты аналитически не обнаруживаются или присутствуют, в тысячных долях мг/л. Несколько увеличивается их содержание к концу лета, когда усиливается распад органического вещества. В грунтовых водах их содержание несколько выше. Будучи промежуточным нестойким продуктом нитриты при появлении, их в повышенном количестве указывают на усиленное разложение органических остатков и задержку окисления NO2-до NО3-, что показывает на загрязнение водоема, т. е. является важным санитарным показателем.

Нитратные ионы среди других неорганических соединений связанного азота наиболее устойчивы, их главным потребителем являются растения. Поэтому в поверхностных слоях водоемов (рек, озер и морей) для режима NО3-характерно уменьшение и часто полное их исчезновение в вегетационный период. Недостаток нитратов нередко приостанавливает развитие определенных видоводных растений. В осенний период с отмиранием растений в процессе минерализации органических веществ нитраты накапливаются и достигают максимума зимой. Концентрация NО3-обычно в пресных поверхностных водах составляет сотые и десятые доли мг/л. В грунтовых водах содержание их может быть значительно повышенным, особенно в населенных пунктах.

В природных водах растворённый фосфор присутствует в виде неорганических и органических соединений, причём последние находятся как в растворенном, так и коллоидном состоянии. Кроме того, фосфор находится в воде в виде взвесей также неорганического и органического происхождения.

Так же, как и для азота, обмен фосфора между его неорганическими и органическими формами, с одной стороны, и живыми организмами, с другой, является основным фактором, определяющим его концентрации. Он осуществляется при двух противоположно направленных процессах - фотосинтезе и разложении органического вещества. Круговорот фосфора несколько проще, чем азота.

Присутствие фосфатов в ещё большей степени необходимо для развития растений: при полном их исчезновении, наблюдаемом при интенсивном фотосинтезе, развитие растений прекращается. Большая часть фосфатов, использованных водными растениями и животными, возвращается обратно в воду в процессе жизнедеятельности организмов или при минерализации их остатков, и лишь некоторая часть попадает на дно водоемов с остатками организмов. Регенерация фосфора протекает значительно быстрее, чем азота, потому что азот более прочно входит в состав белка как одна из основных его структурных единиц, в то время как фосфор в виде остатков фосфорной кислоты легко отщепляется от органических соединений при их распаде.

Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.

2.3 Микроэлементы

К этой группе относятся элементы, соединения которых встречаются в природных водах в очень малых концентрациях, поэтому их и называют микроэлементами. Их концентрация измеряется микрограммами в 1 л (мкг/л), а часто имеет и более малые значения. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в нее входят все элементы периодической системы, не включенные в предыдущие группы рассмотренных компонентов.

Условно их можно разделить на пять подгрупп:

1) типичные катионы (Li+, Rb+, Cs+, Be2+, Sr2+, Ba2+ и др.);

2) ионы тяжелых металлов (Cu2+, Ag+, Au+, Pb2+, Fe2+, Ni2+, Co2+ и др);

3) амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn);

4) типичные анионы (Br-, I-, F-); 5) радиоактивные элементы.

Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется.

Успешное изучение микроэлементов затруднено не только их малым содержанием в природных водах, но и в сильнейшей мере неясностью формы их присутствия в растворе. Последнее не только осложняет выяснение закономерностей их миграции и режима, но и создает трудности при химическом анализе. Например, многие тяжелые металлы мигрируют в больших концентрациях именно во взвешенном, а не в растворенном состоянии. Растворенные органические комплексы образуют большинство металлов, прежде всего двух- и трехвалентные металлы с гуминовыми и фульвокислотами.

Концентрация закомплексованных металлов определяется прежде всего концентрацией органических кислот. В виде коллоидных соединений присутствуют многие гидроксиды металлов. Возможно, происходит адсорбция органических веществ на поверхности коллоидов, что придает им большую стабильность в растворе.

2.4 Газы

Если налить в стакан холодную воду из-под крана и поставить в тёплое место, на стенках появятся пузырьки газа. Газы были растворены в холодной воде и выделились при нагревании (поскольку растворимость газов при нагревании уменьшается). Это кислород, азот и углекислый газ. Растворимость газа в воде обычно падает с повышением температуры, что связано с повышением кинетической энергии молекул газа, способствующей преодолению сил притяжения молекул воды. Все природные воды представляют газовые растворы. Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород O2 и двуокись углерода CO2, а в подземных - сероводород H2S и метан CH4. Иногда CO2 в значительных количествах может насыщать также воды глубоких горизонтов. Кроме того, во всех природных водах постоянно присутствует азот N2.

Кислород (O2) находится в природной воде в виде растворенных молекул. Кислород, являясь мощным окислителем, играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Кислород поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов. Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л, при интенсивном фотосинтезе, в полдень, возможна и более высокая концентрация). Вследствие зависимости концентрации кислорода в поверхностных водах от целого ряда факторов его концентрация значительно меняется в течение суток, сезона и года.

Так как потребление кислорода сравнительно мало зависит от суточных изменений солнечной радиации, а фотосинтез всецело определяется ею, то в течение дня происходит накопление кислорода, а в темное время суток расходование его. Кислород необходим для существования большинства организмов, населяющих водоемы. Как сильный окислитель кислород играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков.

Диоксид углерода (CO2) находится в воде главным образом в виде растворенных молекул газа CO2. Однако часть их (около 1 %) вступает во взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:

CO2 + H2O - H2CO3

Обычно же не разделяют CO2 и H2CO3 и под диоксидом углерода подразумевают их сумму (CO2 + H2CO3). В природных водах источником диоксида углерода являются прежде всего процессы окисления органических веществ, происходящие с выделением CO2 как непосредственно в воде, так и в почвах и илах, с которыми соприкасается вода. К ним относятся дыхание водных организмов и различные виды биохимического распада и окисления органических остатков.

В некоторых подземных водах важным источником диоксида углерода являются вулканические газы, выделяющие из недр земли, происхождение которых связано с дегазацией мантии и со сложными процессами метаморфизации осадочных пород, протекающими в глубинах под влиянием высокой температуры. Поэтому часто в подземных водах и источниках глубинного происхождения наблюдается высокое содержание диоксида углерода. Поглощение водой диоксида углерода из атмосферы имеет более важное значение для воды морей и океана и менее значимо для вод суши. Уменьшение содержания диоксида углерода прежде всего происходит при фотосинтезе. При очень интенсивном фотосинтезе, когда отмечается полное потребление газообразного CO2, последний может быть выделен из ионов HCO3-:

HCO3- - CO32- + CO2

Диоксид углерода расходуется также на растворение карбонатов:

CaCO3 + CO2 + H2O - Ca(HCO3)2

Также расходуется на химическое выветривание алюмосиликатов. Уменьшение содержания CO2 в воде, особенно в поверхностных водах суши, происходит также при выделении его в атмосферу. Вообще CO2 атмосферы имеет большое значение для CO2содержащегося в поверхностных водах, регулируя его содержание там. Между CO2атмосферы и CO2 поверхностных вод существует непрерывный обмен, направленный на установление между ними равновесия, согласно закону Генри-Дальтона.

Поскольку парциальное давление диоксида углерода в атмосфере очень невелико (33 Па), то, несмотря на большую растворимость его (при давлении 1013 гПа и температуре 12 °С до 2166 мг/л), равновесие между водой и атмосферой достигается при очень малом содержании CO2 в воде. При парциальном давлении CO2 в атмосфере 33 Па растворимость его в воде будет 2166*0,00033=0,715 мг/л (при 12 °С).

Обычно же поверхностные воды суши, в которых протекают различные процессы разложения органического вещества и которые связаны с почвами, имеют большее содержание CO2 и поэтому выделяют его в атмосферу. Лишь при очень сильном фотосинтезе, когда CO2 практически исчезает, может происходить поглощение CO2 из атмосферы. Содержание диоксида углерода в природных водах чрезвычайно разнообразно - от нескольких десятых долей до 3000-4000 мг/л. Наименьшая концентрация CO2наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO2 редко превышает 20-30 мг/л.

Растворенный молекулярный азот (N2) - наиболее постоянный газ в природных водах. В высшей степени химически устойчивый и биологически трудно усвояемый, азот, будучи занесен в глубинные слои океана или подземные воды, меняется главным образом лишь под влиянием физических условий (температура и давление). Растворенный в поверхностных водах азот имеет преимущественно воздушное происхождение. Наряду с этим в природе широко распространен азот биогенного происхождения, возникающий в результате денитрификации.

Газ метан (CH4) относится к числу наиболее распространенных газов и подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан.

Основным источником образования метана служат дисперсные органические вещества в породах. Метан и тяжелые углеводороды, нередко встречаются в значительных концентрациях в глубинных подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными месторождениями. В небольшой концентрации метан наблюдается в природных слоях озер, где он выделяется из ила при разложении растительных остатков, а также в океанических донных отложениях в районах высокой биологической продуктивности.

Газ сероводород (H2S) является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона. При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невозможно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде.

В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Присутствие сероводорода в природных незагрязненных поверхностных водах - сравнительно редкое явление. Гораздо чаще сероводород присутствует в подземных водах, изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах, в которых он служит показателем сильного загрязнения и анаэробных условии.

2.5 Органические вещества

Органическое вещество природных вод представлено различного рода растительными и животными организмами, микроорганизмами и продуктами их взаимодействия с окружающей средой.

Органическое вещество природных вод представлено различного рода растительными и животными организмами, микроорганизмами, а также продуктами их взаимодействия с окружающей средой.

Состав и содержание органических веществ в природных водах определяется совокупностью многих различных по своей природе и скорости процессов: посмертных и прижизненных выделений гидробионтов; поступления с атмосферными осадками, с поверхностным стоком в результате взаимодействия атмосферных вод с почвами и растительным покровом на поверхности водосбора; поступления из других водных объектов, из болот, торфяников; поступления с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами.

Концентрация органического углерода подвержена сезонным колебаниям, характер которых определяется гидрологическим режимом водных объектов и связанными с ним сезонными вариациями химического состава, временными изменениями интенсивности биологических процессов. В придонных слоях водоемов и поверхностной пленке содержание органического углерода может значительно отличаться от его содержания в остальной массе воды.

Органические вещества находятся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях, образующих некоторую динамическую систему, в общем неравновесную, в которой под воздействием физических, химических и биологических факторов непрерывно осуществляются переходы из одного состояния в другое.

Наименьшая концентрация углерода растворенных органических веществ в незагрязненных природных водах составляет около 1 мг/дм3, наибольшая обычно не превышает 10-20 мг/дм3, однако в болотных водах может достигать нескольких сотен мг/дм3.

Углеводороды (нефтепродукты)

Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространенных и опасных веществ, загрязняющих поверхностные воды. Нефть и продукты ее переработки представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную смесь веществ (низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные, азотистые, сернистые соединения, а также ненасыщенные гетероциклические соединения типа смол, асфальтенов, ангидридов, асфальтеновых кислот). Понятие "нефтепродукты" в гидрохимии условно ограничивается только углеводородной фракцией (алифатические, ароматические, алициклические углеводороды).

Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами. Некоторые количества углеводородов поступают в воду в результате прижизненных выделений растительными и животными организмами, а также в результате их посмертного разложения.

В результате протекающих в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при этом значительным изменениям может подвергаться их химический состав. Наиболее устойчивы ароматические углеводороды, наименее - н- алканы.

Нефтепродукты находятся в различных миграционных формах: растворенной, эмульгированной, сорбированной на твердых частицах взвесей и донных отложений, в виде пленки на поверхности воды. Обычно в момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в водный объект, расстояние от места сброса, скорость течения и перемешивания водных масс, характер и степень загрязненности природных вод, а также состав нефтепродуктов, их вязкость, растворимость, плотность, температура кипения компонентов. При санитарно-химическом контроле определяют, как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти.

...