2.1.8. Общие сведения о физико-химических реакциях в природных водах
Скорости химических реакций, протекающих в природных водах в большинстве случаев весьма велики. Поэтому любое изменение состояния и внешних условий вызовет изменение в их химическом составе. Среди методов, позволяющих определить точный химический состав природных вод как растворов, особая роль принадлежит методам, использующим теорию химического равновесия.
Большую группу реакций в природных водах составляют реакции ассоциации и диссоциации веществ. Общее химическое уравнение этих реакций можно представить в виде:
(30)
Примером таких реакций в природных водах могут являться реакции типа:
(а)
(б)
(31)
(в)
Главной особенностью этих реакций является связывание ионов в соединения и тем самым исключение их из других реакций в которых могут участвовать ионы, объединяющиеся в комплекс. В рассмотрении ионных объединений и ассоциатов нельзя считать, что конкретный ион будет входить в это объединение продолжительное время, но в каждый момент времени часть ионов оказывается связанной в комплекс.
2.1.9. Растворение газов в природных водах
Природные воды всегда в тех или иных количествах содержат растворенные газы. Происхождение этих газов определяется либо их поступлением из атмосферы, либо внутренними химическими и биохимическими процессами в самих природных водах. В состоянии равновесия между концентрациями газа в растворе и над раствором устанавливается некоторое соотношение, описываемое общим уравнением вида (закон Генри).
(32)
где
- парциальное давление газа над раствором;
- концентрация газа в растворе;
- коэффициент распределения. Часто
вместо коэффициента используют его
обратную величину 1/
и тогда концентрация
растворенного газа рассчитывается по
формуле:
(33)
Известно, что коэффициент зависит от многих факторов, главными из которых являются состав и концентрация других растворенных веществ и температура. Несмотря на достаточную развитость теоретических представлений о механизмах и закономерностях растворения газов, получить явные формы для зависимости коэффициента от всех его определяющих параметров до сих пор не удавалось.
Свойства реальных растворов значительно отличаются от свойств идеальных модельных растворов. Основное отличие заключается в том, что молекулы растворенного вещества подвергаются в растворе различным превращениям за счет химических реакций, диссоциации и ассоциации молекул растворенного газа. Доказано, что в этих случаях закон (32) или (33) связывает концентрацию не измененных превращениями молекул растворенного газа, хотя сам коэффициент распределения будет меняться.
Среди газов, как отмечалось, наибольшее значение имеют кислород и диоксид углерода СО2. При моделировании химических процессов в природных водах следует знать закономерности растворения еще нескольких газов, и в частности CH4 (метана), а в некоторых случаях и H2S (сероводорода).
Для растворимости кислорода и углекислоты в чистой воде имеются полу эмпирические формулы для коэффициента . Структура этих формул определена теоретически.
Для молекулярного кислорода:
(34)
Для диоксида углерода:
(35)
Присутствие в растворе других растворенных компонент, что в действительности всегда имеет место, обычно изменяет величину растворимости газа.