Материал: 3375

6

поверхностных вод формируется под воздействием природных и антропогенных процессов, протекающих в толще воды, в донных отложениях и в придонных слоях у поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Таким образом, все воды планеты представляют собой растворы разного состава и концентрации. Химические компоненты природных вод делятся на пять групп.

Первую группу составляют главные ионы, так называемые макрокомпоненты K+, Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO32-.

Повсеместное распространение алюмосиликатов на земной поверхности объясняет присутствие ионов щелочных металлов почти во всех природных водах. При взаимодействии алюмосиликатов с водой в присутствии углекислого газа образуются растворимые соли щелочных металлов (гидрокарбонаты и гидросиликаты). Например,

CaO 2Al2O3 4SiO2 +2CO2 + 5H2O = Ca(HCO3 )2 + 2H4 Al2 Si2O9

Na2O Al2O3 6SiO2 + 2CO2 + 3H2O = 2NaHCO3 + H4 Al2 Si2O3 + 4SiO2

Na2O Al2O3 6SiO2 + 5H2O = 2NaHSiO3 + 2H2 SiO3 + Al2O3 2SiO2 2H2O

Основным источником катионов Ca2+ в природных водах являются известняки, которые растворяются угольной кислотой, присутствующей в воде

CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3 )2 .

Катионы Mg2+ поступают в воду преимущественно при растворении в угольной кислоте доломитов (MgCO3.CaCO3).

Хлоридные ионы по общему содержанию в природных водах занимают первое место. Большое промышленное и физиологическое значение хлорида натрия (NaCl) способствует его рассеянию по земной поверхности. Ионы Cl- не усваиваются растениями и бактериями и выделяются в свободном состоянии организмами животных. Источниками хлорид-ионов являются большие залежи хлористых солей в осадочных породах, продукты выветривания магматических пород, вулканические выбросы.

Сульфатные ионы составляют главную часть анионного состава воды морей и сильноминерализованных озер. Содержание ионов SO42- в природных водах лимитируется присутствием в воде катионов Ca2+, с которыми они образуют малорастворимые соединения CaSO4.

Основными источниками растворенных в воде ионов SO42- являются осадочные породы, в состав которых входит гипс CaSO4 2H2O, а также процессы окисления самородной серы и сульфидных минералов. Например,

2S + 3O2 + 2H2O = 2H2 SO4 ,

2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2 SO4 .

Содержание макрокомпонентов в пресных поверхностных водах озер,

рек и водохранилищ колеблется в широких пределах, например, в мг/л: Ca2+ от 7 до 146, Mg2+ – 0,5-122, Na+ и K+ – 0,5-556, HCO3- – 7-480, CO32- – 0-45,

SO42- – 2,3-30, Cl- – 0,7-731.

7

В отличие от примесей пресной воды, химический состав морской воды преимущественно определяется не карбонатами, а хлоридами. К тому же солевой состав морской воды (на всей Земле) постоянен – это главнейшая закономерность в химии океана.

Таблица 1 Характеристика химического состава морской воды

8

Вторую группу компонентов химического состава природных вод составляют растворенные газы: O2, N2, CO2, H2S, CH4 и др.

Кислород находится в природной воде в виде растворенных молекул и его присутствие является обязательным условием для существования живых организмов в водоемах. В природных водах содержание кислорода колеблется в пределах 0-14 мг/л и определяется двумя противоположно направленными процессами. С одной стороны, кислород выделяется водной растительностью в результате фотосинтеза, а с другой – расходуется на окисление органических веществ. Наличие в воде растворенного кислорода является одной из причин коррозионной агрессивности природных вод по отношению к металлам.

Процессы окисления органических веществ, происходящие как непосредственно в воде, так и в почвах, и илах, с которыми соприкасается вода, являются источниками оксида углерода (IV). Наименьшее количество CO2 наблюдается в морях, наибольшее – в подземных водоемах. В реках и озерах из-за постоянного выделения в атмосферу и участия в процессах фотосинтеза содержание CO2 составляет 20-30 мг/л.

Появление в природных водах сероводорода H2S и метана CH4 указывает на наличие гнилостных процессов, протекающих в водоемах при ограниченном доступе воздуха. В природных условиях CH4 и H2S чаще встречаются в подземных водах. Однако наличие этих газов в реках и озерах может быть следствием сброса неочищенных сточных вод (целлюлознобумажных предприятий).

Третью группу составляют биогенные вещества, к которым относятся соединения азота, фосфора, железа и кремния, то есть вещества, связанные своим происхождением с жизнедеятельностью водных организмов. Биогенные элементы в природных водах находятся в виде неорганических и органических соединений.

Из неорганических соединений азота в природной воде присутствуют катионы NH4+, нитритные (NO2-) и нитратные (NO3-) анионы. В результате микробиологического разложения органических веществ, содержащих в своем составе белок, происходит выделение аммиака

R − CHNH2 (COOH) + H2O = R − CHOH(COOH) + NH3 .

При атмосферных электрических разрядах образуются окислы азота, которые поглощаются поверхностными водами и переходят в нитраты. Подземные воды богаты нитритами.

К биогенным азотсодержащим органическим веществам, присутствующим в природных водах, относятся белки, аминокислоты, амины.

Содержание неорганического азота в водах рек и водохранилищ составляет 0,17-1,94 мг/л, а органического – 0,2-3,59 мг/л.

В природных водах в растворенном состоянии соединения фосфора встречаются как в виде ионов ортофосфорной кислоты (HPO42-, H2PO4-), так и в виде органических соединений. Содержание общего фосфора в поверхно-

9

стных природных водах колеблется от 0,032 до 0,44 мг/л, в том числе неорганического фосфора – 0,002-0,42, а органического фосфора – 0,004-0,28 мг/л.

Соединения железа часто встречаются в природных водах вследствие перехода их в раствор из различных горных пород, а также под действием окислителей или кислот. Органические кислоты, содержащиеся в природных водах (гуминовые и фульвокислоты), переводят железо в раствор в виде сложных органических комплексов.

В подземных водах преобладает закисное железо в виде гидрокарбоната железа [Fe(HCO3)2] в количестве 1 мг/л. При доступе воздуха происходит гидролиз и железо переходит в малорастворимое соединение – гидроксид железа (II):

Fe2+ + 2HCO3− + 2H2O Fe(OH)2 + 2CO2 + 2H2O ,

которое в присутствии растворенного в воде кислорода окисляется в гидроксид железа (III):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 .

Кремний находится в природных водах в виде коллоидных и истинно растворенных форм кремниевой (HSiO3-, SiO32-) и поликремниевой (xSiO2.yH2O) кислот. Кремниевые соли, как азотные и фосфорные, являются питательными веществами для организмов, содержащихся в воде. Повсеместное распространение в природе кремния обеспечивает непрерывное поступление кремния в природные воды в виде выщелачиваемой водой кремниевой кислоты и ее щелочных солей. Наибольшее количество кремния встречается в подземных водах, наименьшее – в поверхностных слоях открытых водоемов. Обычно содержание кремния в открытых водоемах колеблется от десятых долей до десяти мг/л.

Четвертую группу компонентов химического состава природных вод составляют органические вещества (органические кислоты, сложные эфиры, фенолы, белки, аминокислоты, углеводы, сахара, гумусовые вещества и многие другие). Существует два источника поступления органических веществ в природные воды: 1) поступление с площади водосбора с атмосферными и талыми водами; 2) образование органического вещества в самом водоеме в результате развития растений (фотосинтез). В процессе фотосинтеза растения синтезируют органические вещества из минеральных соединений:

CO2 + H2O свет→CH2O+O2 ,

где CH2O представляет обобщенную формулу для углеводного органического вещества.

К числу постоянных источников органического вещества в природные воды следует отнести хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды.

10

Значительную часть органического вещества пресных водоемов составляют гумусовые вещества (гуминовые и фульвокислоты), вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя. Гуминовые кислоты содержат в своей основе ароматические кольца изо- и гетероциклического строения, карбоксильные (-COOH) и фенолгидроксильные (R-OH) группы. Фульвокислоты представляют собой близкие по строению полимерные вещества с меньшей долей ароматичности, но более развитой системой алифатических цепочек с концевыми карбоксильными и фенолгидроксильными группами. Молекулярная масса гуминовых кислот колеблется от нескольких десятков до сотен тысяч, а фульвокислот – от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Органические соединения присутствуют в пресных поверхностных водах в сравнительно невысоких концентрациях: азотсодержащие – 130-300 мкг N/л, сложные углеводы – 0,13-1,88 мг/л, редуцирующие сахара

– 0,03-172 мг/л.

Пятую группу химических компонентов природных вод составляют микроэлементы, включающие все металлы, кроме главных ионов (K+, Na+, Mg2+, Ca2+) и железа. Несмотря на малое содержание микроэлементов в природных водах, роль их в жизненных процессах достаточно велика. Установлено, что медь, мышьяк, марганец, цинк и йод играют важную роль в жизни организмов, являясь своеобразными катализаторами.

Ионы металлов (макро- и микроэлементов) в поверхностных водах в зависимости от факторов среды существуют в различных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и органических соединений. Главные ионы, представляющие собой s-элементы (K+, Na+, Mg2+, Ca2+), в условиях природных вод не подвергаются гидролизу и мало способны к реакциям комплексообразования. В то же время ионы других металлов, особенно d-переходных элементов (Cu, Zn, Mn, Ni, Cо, V, Cr, Fe и др.), проявляют высокую способность к реакциям гидролиза и комплексообразования.

Содержание различных микроэлементов в природных водах колеблется в широких пределах. Так, содержание ионов брома в пресных водах составляет 0,001-0,2, йода – 0,003-0,05, фтора – 0,04-0,3, бора – 0,01-0,03 (в морских водах – 1,5-4,4), кобальта – 0,0043, никеля – 0,001, меди – 0,02 мг/л.

Присутствие в природных водах различных компонентов в большинстве случаев требует ее предварительной очистки перед использованием в практической деятельности, поскольку чистая вода обладает исключительными химическими, физическими и биологическими свойствами.