Химия и экология

Лекция №9

процессы в гидросфере

Вода как химическое соединение

Существует 150 изотопных разновидностей воды, образование которых обусловлено комбинациями изотопов водорода и стабильных изотопов кислорода

и200 разновидностей льда. Наиболее известными являются обычная вода и тяжелая вода; последняя образована тяжелым изотопом водорода (дейтерием)

илегким изотопом кислорода. В природе на ее долю приходится 0,03 масс. %, тогда как на обычную воду — 99,97 масс. %. Жидкая вода имеет квазикристаллическую структуру и отличается высоким ближним порядком в размещении частиц, образующих непрерывно меняющиеся кластерные (групповые) скопления молекул, находящихся в постоянном движении.

Общим для жидкой воды и льда является тетраэдрическое распределение зарядов в молекуле Н2О, определяющимся

водородными связями.

2

процессы в гидросфере

Состав и классификация природных вод

Вода в своих трех состояниях — жидкость, лед и водяные пары — широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд км3. Почти вся эта вода (более 97 %) находится в океанах, бóльшая часть из оставшейся образует полярные ледяные шапки и ледники (около 2 %).

Континентальные пресные воды представляют менее 1 % от общего объема, в основном это подземные воды (глубинные — 0,38 %, поверхностные — 0,30 %; озера — 0,01 %; почвенная влага

— 0,005 %; реки — 0,0001 %; биосфера — 0,00004 %). Атмосфера содержит сравнительно мало воды (в виде паров) — 0,001 %.

В растворенном состоянии в химическом составе пресной воды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов: Са2+, Na+, К+ и Мg2+. Ионный состав растворенных веществ в пресной воде принципиально отличается от химического состава континентальной коры, несмотря на то, что все катионы в речной воде, за исключением некоторого количества натрия и хлора, являются результатом процессов выветривания

.

Ионные соединения хорошо растворимы в полярных растворителях типа воды. Находясь в растворе, различные ионы вступают в реакции с водой по-разному. Ионы с низким зарядом обычно растворяются в виде простых катионов или анионов. Такие ионы слабо взаимодействуют с водой. Ионы меньшего размера с более высоким зарядом вступают в реакции с водой, притягивая ОН–, и образуют незаряженные и нерастворимые гидроксиды, высвобождая в ходе реакции ионы водорода:

3

процессы в гидросфере

Состав и классификация природных вод

Некоторые высокозаряженные ионы образуют большие и устойчивые анионы типа оксианионов. Ряд оксианионов присутствуют в водах виде слабых кислот, и их поведение зависит от рН растворов.

Классификация природных вод по значению минерализации

4

процессы в гидросфере

Состав и классификация природных вод

Классификация природных вод по величине жесткости

Важнейшие химические элементы в природных водах

Азот и его соединения в природных водах.

В природных водах азот находится в виде ряда неорганических и разнообразных органических соединений. К неорганическим формам относятся аммоний, нитриты и нитраты — все хорошо растворимые. Органические соединения — белковоподобные соединения, полипептиды, гумусовые вещества, аминокислоты, амины, мочевина — присутствуют в воде во взвешенном состоянии (остатки организмов), в виде коллоидных и истинных растворов. Между неорганическими и органическими соединениями азота постоянно осуществляются взаимные переходы.

Повышение содержания нитратов и нитритов в воде свидетельствует о загрязнении воды. В чистых водах нитрит-ионы аналитически не обнаруживаются.

6

процессы в гидросфере

Органические вещества в природных водах

Органические вещества — одна из самых сложных по качественному составу групп соединений, содержащихся в природных водах. Она включает органические кислоты, фенолы, гумусовые вещества, азотсодержащие соединения, углеводы и т. д., накапливающиеся за счет внутриводоемных процессов (автохтонные).

Природные воды содержат органические вещества в сравнительно невысоких концентрациях. Средняя концентрация органического углерода в речных и озерных водах редко превышает 20 мг/ л. В морских и океанических водах содержание С еще более низкое. Содержание белковоподобных веществ, свободных аминокислот и аминов колеблется в пределах 20–340, 2–25 и 6–200 мкг азота на 1 л соответственно.

К числу аллохтонных (поступающих извне) относятся органические кислоты, эфиры, углеводы, гумусовые вещества. Концентрация органических кислот и сложных эфиров редко превышает пределы 40–200 и 50–100 мкг/л. Содержание углеводов несколько выше и нередко достигает единиц миллиграммов в 1 л. Значительную часть органического вещества природных вод составляют гумусовые вещества: гуминовые кислоты и фульвокислоты. Особенно богаты гуминовыми веществами воды северных районов страны, где концентрация их часто составляет единицы и десятки миллиграммов на 1 л. В морских и океанических водах среднее содержание гумусовых веществ ниже и редко превышает 3 мг/л.

9