Основные компоненты и факторы формирования химического состава природных вод

Состав природных вод разнообразен, в него входит:

- собственно «вода» – соединение состава Н₂О;

- ионы - от макро- до микроэлементов;

- недиссоциированные молекулы;

- коллоиды (гидрооксиды железа, алюминия, кремния и др.);

- органические (гуминовые) соединения – окрашивают воду в желтовато-коричневый цвет (торфяные озера);

- механические примеси (взвешенные частицы);

- растворенные газы (в пресных и солоноватых водах – О₂, Н₂, СО₂, N₂; H₂S, CH₄, Rn, Аг);

- живое вещество (бактерии и др.).

Химический состав природных вод зависит от:

- состава атмосферных и поверхностных вод;

- состава вмещающих горных пород, с которыми взаимодействует вода;

- хозяйственной деятельности человека.

Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных и коллоидных водных растворах. Важнейшими компонентами вод ландшафта являются растворенные газы – кислород O₂, углекислый газ CO₂, сероводород H₂S.

Значительная часть растворенных веществ находится в виде ионов, среди которых преобладают Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺; HCO₃^- > SO₄^2- > Cl^-. Природные воды содержат также ионы H⁺ и ОН^-, роль которых в ландшафте, несмотря на низкое содержание (10^-5-10^-8 г/л), чрезвычайно велика.

Кроме ионов, растворенные в воде вещества находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Особенно велика роль растворенного органического вещества. Также важная миграция веществ во взвешенном состоянии. Почти все воды ландшафта содержат живое вещество.

Водная миграция осуществляется диффузией, фильтрацией или смешанным путем. Диффузияимеет место в застойных или очень малоподвижных водах (болотные, иловые воды, растворы элювиальных почв, коры выветривания, водоносных горизонтов). Диффузные процессы особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию (диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной скоростью (например, хлориды быстрее сульфатов). Диффузия характеризуется малой скоростью, и в ландшафте с его активным водообменом имеет подчиненное значение. Здесь более распространена фильтрация, с которой связано растворение, ионный обмен (сорбция), осаждение солей и многие другие явления.

Поведение химических элементов в водных растворах определяется следующими параметрами:

1. Щелочно-кислотные условия, рН;

2. Окислительно-восстановительные условия (наличие или отсутствие свободного кислорода), Еh;

3. Температура, давление;

4. Сорбционная способность – возможность элемента поглощать минеральные или органические частицы или отдавать их в результате обменных процессов;

5. Способность элемента взаимодействовать с живым веществом.

По величине реакции среды природные воды делятся на четыре группы:

1. Сильнокислые (рН < 3) – связаны с существованием в водах свободной серной кислоты (в вулканических ландшафтах – соляной кислоты).

2. Слабокислые (рН 3-6,5) – связаны с органическими кислотами и углекислым газом.

3. Нейтральные и слабощелочные (рН 6,5-8,5) – связаны с наличием ионов кальция и HCO₃^-.

4. Сильнощелочные (рН > 8,5) – связаны с присутствием в растворе соды.

Катионогенные элементы, образующие в растворах катионы(Ca, Mg, Na, K, Sr, Rb, Cu, Zn, Cd) более подвижны в кислых средах; анионогенные элементы (S, Cl, N, C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I) – в щелочных средах. Те и другие менее подвижны в нейтральных водах. Миграция Na, Li, Br, I почти не контролируется рН.

Большинство металлов находится в природных водах не в виде простых ионов (Fe²⁺, Fe³⁺ и т.д.), а в виде различных комплексов ионов типа Fe(OH)²⁺, Fe(OH)₂⁺ и т.д. Миграция металлов в форме органических комплексов характерна для тайги, тундры и других ландшафтов влажного климата.

Важнейшими окислителями в природных водах ландшафтов служат свободный кислород атмосферы, трехвалентное железо, четырех валентный марганец и т.д. Важнейшими восстановителями являются органические вещества (органические кислоты и др.), двухвалентное железо и газообразный водород.

При изучении окислительно-восстановительных процессов важно учитывать величину Eh – окислительно-восстановительный потенциал, который характерен для данной природной системы с ее конкретными величинами концентрации, рН и температуры, а также Е₀ – «стандартного потенциала» данной реакции. Eh и E₀ измеряются вмиливольтах.

Высокий кларк железа и легкая индикация его окисленных и восстановленных соединений (смена окраски) делает удобным положить его поведение в основу выделения окислительно-восстановительных обстановок природных вод ландшафта. Различают три основных обстановки:

- Окислительная– характеризуется присутствием в водах свободного кислорода, поступающего из воздуха за счет естественной растворимости или за счет фотосинтеза водных растений. Eh здесь выше 0,15, часто выше 0,4В; железо находится в форме Fe³⁺. Кислородные воды обладают высокой окислительной способностью, в них осуществляется микробиологическое окисление органических веществ до углекислого газа и воды, протекают различные реакции окисления неорганических веществ – двухвалентных железа, марганца и др.

- Восстановительная глеевая обстановка (без H₂S) – создается в пресных водах, не содержащих или содержащих мало свободного кислорода и богатых органическими остатками. Микроорганизмы окисляют органические вещества за счет кислорода органических и неорганических соединений. В водах много CH₄, CO₂, Fe²⁺, H₂, Mn²⁺. В почвах, осадках и коре выветривания развивается оглеение. Этот тип восстановительной обстановки характерен для болот влажно-тропической, тундровой, таежной и лесостепной зон. Eh ниже 0,4 В, местами ниже 0.

- Восстановительная сероводородная обстановка (с Н₂S) создается в бескислородных водах, богатых SO₄^2-, где микробиологическое окисление органических веществ осуществляется частично за счет восстановления сульфатов (десульфуризация). Происходит осаждение минералов, образующих нерастворимые сульфиды. Величины Еh обычно ниже 0 (до –0,5 В). Такая восстановительная обстановка характерна для солончаков и илов соленых озер степей и пустынь, для глубоких горизонтов подземных вод некоторых районов.

В природных ландшафтах происходит закономерная смена окислительно-восстановительных условий, образуется окислительно-восстановительная зональность. Наиболее восстановительные условия возникают в местах энергичного разложения органических веществ (горизонты А почв, верхняя часть илов, водоносные горизонты и т.д.). В сторону от этих горизонтов Eh растет, причем более окислительные условия наблюдаются глубже восстановительных (например, в горизонте В почв). С изменением окислительно-восстановительных условий связано формирование различных геохимических барьеров.

В разных ландшафтных условиях формируются воды с разными кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными свойствами. Последние определяют неодинаковые условия водной миграции и концентрации разных химических элементов в ландшафтах. А.И. Перельман предложил классификационную схему природных вод по особенностям миграции тех или иных химических элементов (таблица 2.).

Поиск по сайту: