Тема 4. ГИДРОСФЕРА. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОСФЕРЕ

Лекция 9

План лекции

1.Вода как химическое соединение.

2.Состав и классификация природных вод.

3.Важнейшие химические элементы в природных водах.

4.Органические вещества в природных водах.

1. Вода как химическое соединение

Существует 150 изотопных разновидностей воды, образование которых

обусловлено комбинациями изотопов водорода и стабильных изотопов кислорода и 200 разновидностей льда. Наиболее известными являются обычная вода

итяжелая 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. 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, а 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. Однако, 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. Например:

Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+.

44

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. Например, H3PO4 дает сле-

дующие ионы: РО34−, НРО24−, Н2РО−4 .

Один из самых распространенных способов классификации основан на различиях в общем количестве растворенных неорганических и частично растворенных органических веществ, содержащихся в природных водах. Общее количество растворенных веществ — минерализацию воды — принято определять по массе сухого остатка предварительно отфильтрованной и выпаренной пробы после высушивания до постоянной массы при температуре 105 °С. В настоящее время по величине минерализации природные воды принято делить на восемь видов, или классов (табл. 7).

Таблица 7. Классификация по значению минерализации

Хорошая питьевая вода содержит не более 0,5 г/л солей. Но в некоторых районах для питья используют и воды, содержащие 1–3 г/л растворенных солей. Соленые воды с общей минерализацией 3–10 г/л пригодны только для некоторых видов домашних животных (овец, верблюдов). Ультрапресные воды обладают способностью выводить соединения кальция из организма человека, поэтому к их использованию для питья следует подходить с осторожностью. В природе не существует чистой воды, всегда это растворы. Даже самые чистые осадки над самыми чистыми районами Земли имеют до 5 мг/л растворенных соединений.

Классификация по жесткости. Жесткостью воды называется свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция и магния. По величине жесткости природные воды принято делить на ряд групп (табл. 8). Единицей жесткости воды в нашей стране является моль жесткости (моль/м3). За рубежом для выражения значений жесткости воды используются различные единицы измерения. Соотношения между различными единицами следующие:

1 моль/м3 = 2,804 немецких градусов жесткости; 1 моль/м3 = 5,005 французских градусов жесткости;

1 моль/м3 = 50,05 американских градусов жесткости.

Некоторые способы классификации вод названы именами ученых, предложивших их. Например: классификация Алекина, согласно которой все воды делятся на три класса: карбонатные, сульфатные и хлоридные; классификация

45

Вернадского, которая включает в себя деление вод на классы, царства, подцарства, семейства и виды (считается наиболее сложной, поскольку включает до 1500 видов); и др.

Таблица 8. Классификация природных вод по величине жесткости

3. Важнейшие химические элементы в природных водах

Азот и его соединения в природных водах. В природных водах азот нахо-

дится 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.

Фосфор и его соединения в природных водах. Фосфор встречается в при-

родных водах в форме органических и неорганических соединений, мигрируя в виде истинных коллоидных растворов и во взвешенном состоянии. Неорганический фосфор представлен соединениями ортофосфорной кислоты Н3РО4. Органические соединения фосфора представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфорилированными сахарами, фосфолипидами.

Кремний и его соединения в природных водах. Кремний — один из наи-

более распространенных элементов. Формы соединений в природных водах довольно многообразны и зависят от минерализации, состава воды и рН среды. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой и поликремниевых кислот. Содержание кремния уменьшается в природных водах при потреблении его водными организмами (например, диатомовыми водорослями), при переходе кремниевой кислоты при определенных условиях в гель, при сорбции и дегидратации.

Железо и его соединения в природных водах. Железо — непременный компонент поверхностных вод. Соединения трехвалентного железа наиболее распространены, двухвалентное железо обнаруживается в водах с низкими окислительными потенциалами.

Кроме растворенного ионного железа (Fе2+, Fе3+), в природных водах присутствуют гидроксокомплексы, коллоидные неорганические и органические формы. Значительная часть железа мигрирует в поверхностных водах в форме взвешенных частиц. В природных водах многие соединения железа малоустой-

46