img-090539

веществам, азотсодержащим соединениям (белки, аминокислоты, амины) и др.; 5) микроэлементы (микрокомпоненты) — все метал­ лы, кроме главных ионов (Na+> К+, Mg2+, Са2+), а также некоторые другие компоненты, содержащиеся в водах в небольших количест­ вах (например, радиоактивные элементы); 6 ) загрязняющие веще­ ства — нефтепродукты, фенолы, пестициды, синтетические по- верхностно-активные вещества (СПАВ), детергенты и др.

Таблица 3.2

Концентрация химических элементов в природных объектах пресновод­ ных экосистем, по литературным данным

66 Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

Химические параметры используются для классификации вод по минерализации, составу (преобладанию тех или иных ионов); оценки обеспеченности водных объектов питательными вещества­ ми, необходимыми для развития водной флоры и фауны; определе­ ния степени загрязненности воды и ее соответствия требованиям конкретных водопотребителей и водопользователей, выявления ис­ точников загрязнения и др.

В гидрохимии широко распространен термин минерализация воды, под которым понимают общее содержание в воде всех найден­ ных при анализе минеральных веществ. Существует близкое к ми­ нерализации понятие сумма ионов (Ей), то есть арифметическая сумма всех содержащихся в исследуемой воде ионов в миллиграм­ мах или граммах на литр, концентрация которых больше 0,1 мг/л.

Понятие сумма минеральных веществ кроме суммы ионов включает недиссоциированные неорганические вещества — Si02, Fe20 3 и др.

В океанологии для характеристики минерализации воды поль­ зуются термином соленость, значение которой близко к сумме ио­ нов, и хлорность.

Под соленостью (S % о) понимается суммарное содержание в граммах твердых минеральных веществ, растворенных в 1 кг мор­ ской воды при условии, что все твердые вещества высушены до по­ стоянной массы при 480 °С, органические вещества полностью со­ жжены , бромиды и иодиды замещены эквивалентной массой хло­ рида, а все углекислые соли переведены в оксиды.

Хлорность (С1 %о) — это суммарная масса в граммах галогенидов (хлорид, бромид, иодид, за исключением фторида), содержа­ щихся в 1 кг морской воды, в пересчете на эквивалентное содержа­ ние хлорида (по определению Серенсена).

М. Кнудсен установил следующую связь между хлорностью и соленостью океанической воды; S %о = 0,030 + 1,805 С1 %о.

Лаймен и Флеминг с целью устранения условностей в понятии солености пересмотрели соотношение между S %о и С1 %о, учли но­ вые атомные массы, выразили оксиды кальция и магния в виде карбонатов, бромиды и иодиды в виде соответствующих ионов и вывели зависимость суммы главных ионов от хлорности: Ей %о = = 0,069 + 1,8112 С1 %о. Значение солености S %о отличается от суммы главных ионов (Ей % о) на 0,16 %о (приблизительно 0,45 % ). Величина Ей %о ближе к истинной солености, чем S %о.

3.2. К онцентрация р а ст в о р о в и сп о со б ы е е вы раж ен и я

В гидрохимической практике для выражения результатов ана­ лиза проб воды применяются различные величины: массовая кон­ центрация вещества, молярная концентрация вещества, молярная концентрация вещества эквивалента.

1. Массовая концентрация вещества — это отношение массы какого-либо компонента, содержащегося в растворе, к общему объ­ ему раствора. Единицей массовой концентрации вещества является кг/м 3 (г/дм3) и дольные единицы: мг/дм3, мг/см 3. Допускается применение внесистемных единиц: г/л , м г/л, мг/мл. Примени­ тельно к минерализации природных вод (особенно морских) кон­ центрацию более 1000 мг/дм3 чаще всего выражают в промилле

(% о ); 1 %о = 0 , 1 % .

2. При определении величины молярная концентрация веще­ ства используется понятие „количество вещества”. Количество ве­ щества п(х) — это одна из семи основных величин Международной системы единиц (ГОСТ 8.417—81). Единицей количества вещества является моль. Моль равен количеству вещества системы, содер­ жащей столько же структурных элементов, сколько атомов содер­ жится в изотопе углерода 12С, массой 0,012 кг. Единицей молярной концентрации является моль/м3 и кратная ей единица моль/дм3, допускается также использование единицы моль/л. Молярная кон­ центрация вещества С(х) записывается следующим образом: C(H2S04) = 0,1 моль/дм3.

3. При определении величины молярная концентрация вещества эквивалента используется понятие „эквивалент”. В ряде химических реакций (окисления—восстановления, нейтрализации) принимает уча­

стие не целая молекула (атом, ион), а лишь ее часть i , называемая эк- 2

вивалентом. Отношение количества вещества эквивалента п ( i х) в мо- z

лях к объему системы (раствора) называется молярной концентрацией вещества эквивалента. Единицей концентрации является моль/м3 и кратная ей единица моль/дм3 (моль/л). Записывается молярная кон­

центрация С ( —дс)следующим образом: С ( — • КМп04) = 0,1 моль/дм3.

2 5

3.3. Г л авн ы е ионы в в о д ах и их происхож дени е

К числу главны х ионов, содержащихся в природных водах, от­

носятся ионы СГ, SO ^, HCOg, Na+, Mg2+, Ca2+ и K+. Главные ионы,

или макрокомпоненты, определяют химический тип вод. М икро­ компоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Ряд компонентов, раство­ ренных в водах, занимает промежуточное положение между макро- и микрокомпонентами. К их числу относятся Н+, N H 4 , NO,,,

H2Si03. Эти компоненты в некоторых типах вод могут приобретать первостепенное значение.

68 Раздел 1. Теоретические основы гидрохимии

Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах составляет несколько единиц — миллиграммов на 1 л, в рассолах же достигает нескольких сотен промилле.

Х л о р и д н ы е ионы, обладают высокой миграционной способно­ стью, то есть способностью к перемещению, определяемой физико­ химическими константами данного иона и условиями среды, в ко­ торой происходит миграция. Они не образуют труднорастворимых минералов, не адсорбируются коллоидными системами (за исклю­ чением красноземных почв субтропиков), не накапливаются био­ генным путем. Растворимость хлоридных солей натрия, магния и кальция очень высокая. Вследствие указанных причин хлоридные ионы беспрепятственно мигрируют с водами. Они присутствуют во всех природных водах в количестве от „следов” до нескольких сотен граммов на 1 л воды. В слабо- и умеренноминерализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. С увеличением ми­ нерализации их содержание растет абсолютно и относительно. В водах повышенной минерализации ионы хлора по количествен­ ному содержанию занимают первое или второе место. Доминирую­ щее значение они приобретают, как правило, в высокоминерализо­ ванных водах и рассолах.

Основными источниками поступления иона хлора в природные воды являются:

хлористые минералы (галит NaCI, сильвин КС1 и др.) из горных пород, почв (особенно солончаков) и скоплений солей;

атмосферные осадки; вулканические выбросы;

стоки промышленных предприятий и хозяйственно-бытовые стоки.

В природных водах анионы хлора чаще всего уравновешивают­ ся катионами Na+(NaCl), реже. — Mg2+ (MgCl2 ) и Са2+ (СаС12), в ис­ ключительных случаях — К+ (КС1).

С у л ь ф а т н ы е и о н ы обладают хорошей подвижностью, но усту­ пают в этом отношении хлоридным. Коллоиды почв почти не за­

держивают SO2 , и только в условиях влажных субтропиков воз­

можно адсорбирование этого иона положительно заряженными

гидроксидами железа и алюминия. Содержание SO2’ в природных

водах лимитируется присутствием в воде ионов Са2+, которые обра­

зуют с SO2 сравнительно малорастворимый CaS04. При невысоком же содержании Са2+ в минерализованных водах наблюдаются кон­

центрации SO2-, выражаемые десятками граммов на 1 л воды.

В отсутствие кислорода (в анаэробной среде) сульфатные ионы ста­ новятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводорода. Ос­ новная роль в этом процессе принадлежит сульфатредуцирующим

бактериям, развивающим свою деятельность при наличии органи­ ческого вещества.

Восстановление сульфатов сопровождается выделением тепла Q. Оно происходит следующим образом:

В результате десульфатизадии воды обогащаются H2S и С02; в них понижается содержание S04” и появляется сода. Если десуль-

фатизации подвергаются сульфатно-кальциевые воды, то сода не образуется.

Так как сера является жизненно необходимым элементом, вхо­ дя в состав белков, аминокислот и многих других органических со­ единений, она активно захватывается живым веществом. Растения

усваивают серу в форме S04“. С этим связано биогенное накопление серы в гумусовом горизонте почв. Таким образом, ряд протекаю­ щих процессов задерживает накопление ионов S04~ в природных водах по мере роста их минерализации.

Поверхностные и подземные воды неглубоких горизонтов почти всегда содержат сульфаты. На больших глубинах, где отсутствует кислород, нередко залегают бессульфатные воды. Сульфатные ионы доминируют в умеренно минерализованных водах рек и озер. В слабоминерализованных водах сульфатные ионы обычно уступа­ ют свое первенство гидрокарбонатным ионам. Умеренно минерали­ зованные воды артезианских бассейнов чаще всего имеют смешан­ ный анионный состав.

Основным источником появления в воде сульфатов являются различные осадочные породы, в состав которых входят гипс и ан­

гидрит. Немаловажное значение в обогащении вод ионами S04~ имеют процессы окисления сульфидов, широко распространенные в земной коре. Существенное количество сульфидов и особенно серо­ водорода выделяется при вулканических извержениях и окисляется до S04~. Повышенные значения концентрации ионов S04~ могут

быть обусловлены привносом сульфатов дождевыми водами. В пус­ тынных условиях поверхностные и грунтовые воды обогащаются сульфатами при выщелачивании солончаков, содержащих кроме галита гипс (CaS04 • 2Н2 0) и мирабилит (Na2 S04 • 10Н2 0). Какое-то количество сульфатов антропогенного происхождения попадает в поверхностные воды при разложении промышленных и бытовых отходов, а также с атмосферными осадками при сжигании иско­ паемого топлива.