16. Формирование микроэлементного состава природных вод.

К этой группе относятся элементы, соединения которых встречаются в природных водах в очень малых концентрациях. Их концентрация измеряется мг/дм³, а часто еще меньше. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод. В неё входят все элементы периодической системы не включенные в группы уже рассмотренных. Микроэлементы природных вод условно делятся на пять групп.

1. Типичные катионы (литий, рубидий, цезий, бериллий, стронций, барий)

2. Ионы тяжелых металлов (медь, серебро, золото, олово, железо, никель, кобальт)

3. Амфотерные комплексообразователи (хром, молибден, ванадий, марганец)

4. Типичные анионы (бром, йод, фтор, бор)

5. Радиоактивные элементы

6. Наиболее существенными формами микроэлемента в воде можно считать след.

7. со взвешенными веществами

8. в поглощающем комплексе глинистых минералов

9. в гидроксильной форме с осаждающими гидроксилами железа и марганца и в виде солей (СО3)^-2, (SO4)^-2, В комплексных соединениях с органическим веществом. В органо– минеральных комплексных соединениях и в соединениях с малорастворимыми алюмосиликатными комплексными соединениями, в коллоидных растворах и в псевдоколлоидах, микроэлементы сорбированные на коллоиды

10. микроэлементы, как комплексные соединения гидроксиды и микроэлементы в ионной форме

Многие тяжелые металлы мигрируют в больших концентрациях именно во взвешенном состоянии. К тяжелым металлам относятся более 40 микроэлементов, масса которых более 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвует в биологических реакциях и входят в состав ферментов. Группа тяжелых металлов совпадает с группой микроэлементы, но для высоких концентраций применяют термин тяжелые металлы. Под этим термином подразумевают свинец, магний, ртуть, молибден, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий. Растворенные комплексы образуют большинство металлов с гуминовыми и фульфокислотами. Прежде всего это 2-х и 3-х металлы в виде коллоидных соединений присутствуют многие гидроксиды металлов. Происходит также абсорбция органического вещества на поверхности коллоидов, что придают им большую стабильность. В зависимости от рН и Еh и наличия комплексообразователей один и тот же элемент может присутствовать в разных формах диссоциации и в разных комплексах например при рН =8 Еh=200-400мв он может присутствовать в виде недиссоциированных молеку и полудиссоциированных молекулах [CuCl]+. В виде продукта гидролиза и в виде свободного иона. Вполне вероятны комплексы имеющие отрицательный заряд . [CuCl₃]-; [C_UCl₄]-; К тому же Cu²⁺ образует комплексы с органическими соединениями. Эти разнообразные формы находятся в равновесии. Количественная сторона выражается константой нестойкости.

[Cu²⁺]*[CO₃] ^2- / [Cu(CO₃)₂]₂- =10^-10

[Cu²⁺]*[CO₃] ^2-/ [ Cu CO₃] = 10^-6

Большинство микроэлементов находятся в природных водах в очень низких концентрациях. Намного ниже 1мг/дм³. Для некоторых причиной этого являются малая распространенность в природе и главными причинами, которые ограничивают концентрацию микроэлементов являются

1. низкая растворимость многих тяжелых металлов (Cu, Ag, Ni,Fe,Co,Mn,Zn,Mg),

2. постоянное присутствие в воде анионов таких как ОН^-, Н₂РО₄^- и Н₂S^-2. Особенно большое значение имеют гидроксильные ионы, поскольку большинство гидроксидов металлов трудно растворимы, поэтому водный показатель является важнейшей характеристикой поведения микроэлементов в воде, которые выпадают в осадок при определении рН. Для свинца концентрации ограничиваются ионами CI- и Br- , а для бария и стронция концентрация ограничивается присутствием сульфат ионами. Еще одной причиной малой концентрации является адсорбция. Расчеты показывают, что при малой растворимости соединений с перечисленными показателями концентрация многих микроэлементов в природных водах бывает ниже, чем это возможно для соответственного ПР. Сорбентами микроэлементов в природных водах является: во-первых глинистые минералы во взвешенном состоянии -породы, через которые фильтруется вода, гидроксиды железа, которые хорошо сорбируют никель, кобальт марганец, а также органическое вещество различной степени дисперсности , которые являются остатками растений и животных и высоко дисперсный оседающий карбонат кальция.

3. еще одной причиной малой концентрации извлечение их из воды живыми организмам, но решающую роль играют процессы адсорбции. Ионы минералов, которые широко представлены в природных водах. Т.о. в природных водах нет условий для создания высоких концентраций микроэлементов. Только при низких значениях рН наблюдаются аномально высокие концентраций микроэлементов.

Большие значения имеют микроэлементы, входящие в группу радиоактивных. К ним относятся изотопы обычных микроэлементов. ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ⁹⁵Zr, ¹²⁴Sn.

Распространение этих изотопов в природе их долговечность и интенсивность излучения показывают, что практически надо считаться только с ⁴⁰К. Его концентрация составляет 0,012% общего содержания калия, но активность излучения (11,1-37)*10¹⁵ бк/м³.Эта концентрация создает почти весь радиоактивный фон природных вод. Следующая группа радиоактивных элементов это уран и торий и семейства урана и тория. Они имеют различную продолжительность жизни от млрд. лет до ничтожных долей секунды.

Третья группа – элементы возникшие под действием космических лучей, тритний ³Н, ¹⁴С, ¹⁰Ве, ³²Si. Из всех радиоактивных элементов наибольший интерес представляет уран ²³⁸U, и радий ²²⁶. Они распространены в гидросфере и литосфере, поэтому в той или иной степени входят в состав всех природных вод. Концентрация урана колеблется 0,012*10^-6…47*10^-6 мг/дм³.

В природных водах при рН >7.5 уран входит в состав комплексного иона [UO₂(CO₃)₃]^4-. При меньшем рН комплексный ион переходит в продукты гидролиза. При понижении значений рН комплексный ион может переходить в 4-х валентные соединения урана

[UO₂(CO₃)₃]^4- +2H²O  U(OH)₂+3 (CO₃ )^2-

4-х валентный уран малорастворим, склонен образовывать псевдоколлоиды и неустойчив в водных растворах. К естественным радиоактивным элементам, возникающим под действием космических лучей относиться углерод ¹⁴C и тяжелый водород ³H. Оба эти элемента образуются в верхних слоях атмосферы под действием космических частиц из атомов азота

14N7 +1n0=14C6+1H+0.6Mэв

14N7+1n0+401MэВ=12С6+3Н

Углерод 14 сразу образует с гидроокись углерода. Этот оксид распространяется в атмосфере и участвует с обычным оксидом во всех биологических и химических процессах. В результате непрерывного обмена с геосферой углерод 14 проникает во все процессы, переходит в остатки органического происхождения и в минералы, (СО₃)^2-. Период полураспада углерода ¹⁴C - 5500 лет.