17. Формирование газового состава природных вод.

В природных водах есть газы в растворенном состоянии. Их качественный и количественный состав зависит от условий, в которых находиться вода. Происхождение этих газов в воде связано:

1. С составом атмосферного воздуха: СО_2, N_2, O_2, Ar и другие инертные газы

2. Определяется биохимическими процессами (СН₄, СО_2, H₂S, H_2, N₂ и некоторые углеводороды.)

3. С процессами дегазации мантии Земли и метаморфизации горных пород в глубинных слоях земной коры, которые проходят при очень высоких температурах и давлении (СО_2, СО, СН_4, СО₂, H_2, NH₃, HCL, B и другие соединения водорода с галогенами)

Первая и вторая группа газов характерны для поверхностных и подземных вод, в которые проникает вода с поверхности. Третья группа газов характерна в основном для подземных вод. Наиболее широко в поверхностных водах присутствует О₂, в подземных - СН_4, H₂S). Растворимость газов в воде зависит от химической природы, температуры, давления, минерализации воды. Большая растворимость СО₂ и H₂S объясняется их химическим взаимодействием с водой. Зависимость растворимости газов от давления выражается з-ном Генри:

С=КР,

где С – конц. газа в воде, К – константа Генри, которая зависит от природы газа, растворителя и от температуры и не зависит от давления.

Если над раствором находится смесь газов, то растворимость каждого из них будет пропорциональна парциальному давлению газа над раствором – закон Генри-Дальтона. На основании этого закона можно вычислять растворимость газов в воде при различных температурах. Процессы растворения и поглощения газов в воде протекают медленно, чтобы содержание растворенного газа в воде пришло в равновесие с его парциальным давлением в атмосфере требуется определенный промежуток времени. Наступление равновесия может быть ускоренно, если раствор будет перемешиваться. Это обстоятельство имеет большое значение для растворимости газов в естественных условиях.

Кислород находится в прир. воде в виде растворенных молекул. На его содержание в воде влияют две группы противоп. процессов: 1) увеличивают концентрацию кислорода; 2) – уменьшают.

1) К первой группе относят : процесс абсорбции О₂ из атмосферы; выделение О₂ растительностью в процессе фотосинтеза. Выделение О₂ в результате фотосинтеза происходит при поглощении СО₂ водной растительностью. Фотосинтезе протекает интенсивнее, чем выше температура воды, больше солнечное освещение и при высокой концентрации питательных веществ в воде. Фотосинтез происходит на поверхности воды и на небольшой глубине в зависимости от прозрачности воды. Глубина на которой фотосинтез интенсивнее зависит от ряда условий: для каждого водного объекта и сезона глубина может быть различной.

2) Ко второй группе относят (уменьшающие содержание О₂ в воде) биохимические, биокинетические, биологические процессы. Биологические процессы: дыхание организма. Биохимические процессы: дыхание бактерий, расход кислорода на окисление органических веществ. Химические процессы: окисление ионов железа, марганца, нитритов, сероводорода.

Окисление дисульфида железа:

2FeS₂ + 2H₂O + 7O₂ - > 2FeSO₄ + 2H₂SO₄

4FeSO₄ + 2H₂SO₄ + 2H₂O - > 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

Fe₂(SO₄)₃ подвергается гидролизу, поэтому рудничные воды имеют высокую кислотность (рН < 3) В этих водах могут растворяться: апатит, карбонаты, сульфиды, алюмосиликаты, бакситы, магнитит. При растворимости апатитов в присутствии H₂SO₄ образуется фосфорная и плавиковая (HF) кислоты, поэтому в природных водах появляются фториды.

Уменьшение содержания кислорода в воде может происходить вследствие выделения его в атмосферу, если вода при данных температуре и давлении окажется перенасыщенной кислородом. Кислород выделяется только в поверхностных слоях водоёма. Потребление кислорода происходит на разной глубине, но с разной интенсивностью. Концентрация растворенного кислорода в воде колеблется от 0 до 14 мг/дм³.

Диоксид углерода

СО₂ находится в природной воде главным образом в виде растворенных молекул, однако часть молекул (около 1%) взаимодействует с водой образуя угольную кислоту:

СО₂+Н₂О < - >Н₂СО₃

Суммарное содержание СО₂ и Н₂СО₃ определяется при анализе воды и называется свободная угольная кислота. В природных водах источником СО₂ являются процессы окисления органических веществ, которые происходят с выделением СО₂. Эти процессы протекают, как непосредственно в воде, так и в почве. Выделение СО₂ происходит при дыхании водных организмов, окислении органических остатков. В некоторых подземных водах важным источником СО₂ являются: вулканические газы, выделяющиеся из недр Земли (происхождение этих газов связано с дегазацией мантии и процессов метаморфизации осадочных пород, протекающие в глубинах под влиянием повышенной температуры). Такие подземные воды относятся к областям интенсивной тектонической деятельности. Важное значение имеет поглощение СО₂ из атмосферы. Уменьшение содержания диоксида углерода в воде связано с фотосинтезом. При интенсификации фотосинтеза, когда отмечается полное потребление газообразного СО₂, этот газ может выделиться из иона НСО₃

2 НСО^-₃ < - > СО₂ + СО^2-₃ + Н₂О

Диоксид расходуется также на растворение карбонатов

СаСО₃+СО₂+Н₂О < - > Са(НСО₃)₂ -.

СО₂ участвует в процессах выветривания алюмосиликатов:

2NaAlSiO₄(нефелин) + nH₂O + CO₂ < - > Na₂CO₃ + Al₂O₃ + n H₂O

Уменьшение содержания СО₂ в воде особенно в поверхностных водах происходит также при выделении СО₂ в атмосферу. СО₂ атмосферы регулирует содержание СО₂ в поверхностных водах. Между СО₂ атмосферы и СО₂ поверхностных вод существует непрерывный обмен направленный на установление между ними равновесия поскольку парциальное давление в атмосфере не велико (33 Па), то равновесие между водой и атмосферой достигается при очень малом содержании СО₂ в воде. Растворимость СО₂ будет составлять 0,715 мг/дм³ (при 12⁰С). Обычно поверхностные воды имеют большое содержание СО₂ и поэтому выделяют СО₂ в атмосферу. И лишь при очень сильном фотосинтезе, когда СО₂ практически исчезает в воде, может происходить поглощение диоксида углерода из атмосферы. Содержание диоксида углерода в природных водах разнообразно от нескольких десятых долей до 4000 мг/дм³. Наименьшая концентрация диоксида углерода в поверхностных слоях морей и соленых озер, наибольшая – в подземных водах, в загрязненных сточных водах. В реках и озерах обычная концентрация СО₂ - 20-30 мг/дм³

Прочие газы

Наиболее постоянный газ в природных водах – растворенный в воде молекулярный азот N₂. Он химически устойчив, трудно подвергается биологическим превращениям и даже занесенный в глубинные слои океана или подземные воды меняется лишь под действием физ-хим условий (температуры и давления). Значительно большее практическое значение имеет растворенный сероводород H₂S. Присутствие сероводорода в незагрязненных природных водах редко, но концентрация его повышается при нарушении обмена с атмосферой. Парциальное давление сероводорода в атмосфере практически равно нулю, поэтому длительное присутствие сероводорода в поверхностных водах невозможно. Сероводород легко окисляется растворимым в воде кислородом, поэтому сероводород наблюдается в природных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водных масс. Сероводород встречается в природных, морских и океанических водах в условиях затрудненной вертикальной циркуляции. Часто сероводород присутствует в подземных водах изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах (в этом случае он служит показателем загрязненности воды)

Из других газов следует отметить метан и тяжелые углеводороды, которые встречаются в глубинных подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными месторождениями. В небольших концентрациях метана наблюдается в природных слоях озер, где он выделяется из ила при разложении растительных остатков.