Химия континентальных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 9. Химия континентальных вод

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: катион минерализация лечебный вода

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

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^-1) некоторых крупных рек

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 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 CO_2, HCO₃^- и СО^2-_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 (ДН<0) и с убылью энтропии (ДS<0). Согласно уравнению (ДН=ТДS), самопроизвольному течению процесса растворения газов в воде способствуют низкие температуры. При нагревании растворимость уменьшается. Чем выше температура, тем более вероятно, что величина ТДS достигнет значения ДН, а равенство ДН=ТДS отвечает равновесию процесса растворения (ДG=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.

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)

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 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, кислотно-щелочным 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^-, SO₄^2-, 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^-, СО₃^2-. 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 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 ?

Размещено на Allbest.ru