2.1.7. Поверхностные воды как сложная система

Поверхностные воды являются водными растворами солей, органических коллоидов и газов. По терминологии Робинсона и Стокса такие растворы относятся к ассоциированным электролитам. На это указывают многочисленные эксперименты с ионными растворами, в которых в зависимости от их элементарного состава обнаружены различные ассоциации ионов. С одной стороны, некоторые ионы, например, имеют сложное строение, однако в растворах наблюдается большой класс динамических соединений, которые в отдельности в среднем существуют короткое время, но если рассматривать раствор в целом, то в любой момент времени будут наблюдаться ассоциаты, и их содержание в растворе может быть измерено.

В водных растворах наблюдается, кроме того, неполное разложение молекул солей на ионы. Отличие этого явления от образования ассоциатов заключается в наличии ковалентных связей, что может быть также установлено косвенными измерениями.

Основным параметром, количественно характеризующим содержание в растворе вещества, является концентрация. Имеется два способа выражения концентрации раствора: а) абсолютная концентрация; б) относительная концентрация.

Абсолютной концентрацией является величина, равная массе рассматриваемого вещества, растворенного в единице массы растворителя (в случае водных растворов - в единице массы или объема воды).

Относительные концентрации, как правило, отражают вес растворенного вещества, отнесенный к сумме весов всех веществ раствора, кроме растворителя (если учитывается вес растворителя, то получается одна из размерностей абсолютных весовых концентраций).

В природных растворах, как и в большинстве многокомпонентных систем, протекает множество химических процессов гидратации, образования и распада комплексных ионов, гетерофазного химического взаимодействия и т. д. Естественно, что часто эти процессы бывают неизвестны, как и точный состав природных растворов. Поэтому в этих случаях особую значимость приобретают методы, основанные на некоторых интегральных характеристиках системы.

Ионная форма существования вещества является химически активной формой. Поэтому в растворах постоянно протекают химические реакции, которые в общем случае, наряду с тепловым движением, приводят к рассеиванию энергии. Реакции в растворах обычно являются быстрыми реакциями, то есть время установления равновесия определяется минутами, часами, в редких случаях сутками. В большинстве случаев состав природных растворов, включая содержание различных ассоциатов, можно рассчитать, используя данные анализа раствора по суммарному содержанию элементов, исходя из уравнений равновесия. Уравнения равновесия однозначно определяются уравнениями кинетики химических реакций. Химические процессы в растворах обычно протекают обратимо, то есть существует состояние при заданных внешних условиях, когда скорость прямого процесса, например, образования иона, и обратного процесса равны. Химическое равновесие характеризуется двумя признаками (М. Х. Карапетьянц, 1981):

а) при постоянстве внешних воздействий состояние химической системы остается неизменным во времени;

б) система следует за изменениями внешних условий, сколь бы малы они ни были.

В природных растворах можно выделить две важные группы ионных реакций:

1. Реакции ионов, не меняющие валентность ионов. К таким ионам, не меняющим валентности, относятся: Na⁺, K⁺, NH^-₄, Mg²⁺, Al²⁽³⁾⁺, Ca²⁺, H⁺.

2. Реакции, приводящие к изменению валентности ионов, в которых участвуют электроны (реакции окисления-восстановления, протонный обмен). Важнейшими элементами, участвующими в этих реакциях, являются: железо, кислород, азот, углерод, водород и иногда сера.