12. Обменные процессы вещества.

Химический состав воды во многом зависит от процессов, которые переводят одно вещество в раствор и одновременно выводят другое вещество из раствора. Это процессы ионного обмена, а также окислительно-восстановительные и биогеохимические реакции.

Ионный обмен – процесс поглощения твердым веществом из воды одних ионов и замены их другими находящимися в твердом веществе. Таким твердым веществом могут быть глинистые минералы или органическое вещество. Реакции ионного обмена обратимы, движущей силой таких реакции является стремление к установлению равновесия между взаимодействующими фазами. Обменные ионы, сосредоточенные на поверхности сорбента – поглощающий комплекс. Степень дисперсности твердой фазы увеличивает ее способность к обмену. Большую роль играет в этом также состав сорбента и в частности минералогический состав пород. Наибольшая обменная способность у монтморрилонита, а наименьшая у каолинита. Ионный обмен подчиняется закону действующих масс и протекает в эквивалентных количествах. С увеличением концентрации ионов в растворе возрастает ионный обмен. Энергия обенно-адсорбционных реакций зависит от валентности катионов. Сильно поглощаются многовалентные ионы, слабо – одновалентные.

К+>Na+>Li+ Sr2+>Ca2+>Mg2+

Среди ионов одинаковой валентности энергия поглощения падает с уменьшением относительной массы и радиуса иона.

Направленность катионного обмена зависит также от гидрохимической обстановки. Если гидрокарбонатные или сульфатные кальциевые воды взаимодействуют с породами, содержащими преимущественно натрий, то катионный обмен приводит к появлению в водах гидрокарбонатного натрия. Ca(HCO₃)₂+2Na⁺_ПК = 2NaHCO₃+Ca²⁺_ПК (реакция Гедройца)

Если же в породы поглощающий комплекс которых состоит в основном из Ca попадают натриевые воды морского происхождения, то катионный обмен приводит к выходу в раствор Са.

2NaCl+Ca²⁺_ПК = CaCl₂+2Na⁺_ПК (реакция Щукарева)

Но в последнем случае чистые хлоридные кальциевые воды не образуются, т.к. Са сильнее, чем Na адсорбируется породами и труднее переходит в раствор.

Катионно-обменные реакции на глинистых минералах также могут поддерживать концентрацию рассеянных элементов в воде на низких уровнях. Эти процессы не могут иметь существенное значение поскольку главные катионы Ca, Na, Mg, K должны конкурировать с рассеянными металлами за адсорбционные позиции твердой фазы и вытеснять эти металлы в раствор. однако избирательность ионного обмена к данному иону может быть очень высокой и ион будет удаляться из раствора даже если он в растворе находится в очень низкой концентрации.

Растворенное органическое вещество природных вод включает широкий круг соединений от относительно небольших растворенных молекул до нерастворимых полимерных материалов – уголь, дерево. Концентрация растворенного органического вещества в почвенных растворах во много раз больше чем в реках и озерах. Ту часть вещества в щелочной вытяжке из почвы или торфа которую после подкисления вытяжки выпадает в осадок – гуминовые кислоты, а оставшуюся часть в растворе называют фульвокислотами. Средняя относительная молекулярная масса гуминовых веществ в речной воде составляет 1269, а средняя молекулярная масса отдельных фракций – 528-3095. Гуминовые кислоты – высокомолекулярные полимеры с большим числом карбоксильных и фенольных функциональных групп. Органическое вещество хорошо взаимодействует с рассеянными Ме образуя с ними комплексы. Образование комплексов может сопровождаться высоким содержанием Ме в растворе. Если же Ме взаимодействует с твердым органическим веществом, то он удаляется из раствора. Присутствие в растворе органических веществ вносит изменения в адсорбцию рассеянных металлов. Если ион Ме в растворе сильно закомплексован, то его адсорбция может быть подавлена. Но в некоторых системах адсорбция даже увеличивается за счет образования комплексов Ме-поверхность-леганды.

Для элементов, которые используются живыми организмами в больших количествах – N, P, C, K, Ca, Si биологически е процессы в поверхностных водах являются основным фактором, который регулирует содержание в водах этих элементов.

Для элементов, кот. используются живыми организмами в малых кол-вах – Mn, Cu, Ni, Se, Mo поглощение живыми организмами значит. влияет на конц. эл-ов только в тех природных водах, в которых эти концентрации вообще являются низкими, т.е. например, для сточных вод биологичесике процессы оказывают влияние на концентрации таких элементов не будут.