Химический состав природных вод, Главные ионы - Основные компоненты химического состава природных вод

Химический состав природных вод - это совокупность растворенных в природных водах минеральных и органических веществ в ионном, молекулярном, комплексном и коллоидном состояниях. В настоящее время в природных водах обнаружены около 80 известных на Земле химических элементов. При повышении чувствительности аналитических методов, очевидно, будут установлены и остальные. Распределение химических элементов в водных объектах определяется типом природной системы и свойствами самих элементов (их распространенностью в земной коре и растворимостью в воде). Химический состав природных вод представляет собой сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических соединений. Вещества, содержащиеся в природных водах, подразделяют условно на несколько групп.

Главные ионы

Главные ионы (макрокомпоненты природных вод) -- растворенные в воде твердые минеральные вещества в ионном и молекулярном состоянии, количественно преобладающие в природных водах. Они составляют в пресных водах свыше 90--95%, а в высокоминерализованных -- свыше 99% всех растворенных веществ. Их концентрации не должны быть ниже 1 мг/л. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат НСО-3, хлорид Cl- и сульфат SO2-4) и четыре катиона (кальций Са2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий К+) -- именно их называют Главными (или основными) ионами. Хлорид-ионы придают воде соленый вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния -- горький, гидрокарбонат-ионы - безвкусны.

Большинство природных вод относится к гидрокарбонатному типу, где между угольной кислотой и ее анионами устанавливается подвижное равновесие. Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых, и доминируют в водах низкой и умеренной минерализации. Накопление в водах ионов НСO3- лимитируется присутствием кальция, образующего с ним слаборастворимую соль. Содержание гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах обычно редко превышает 250 мг/л, а в водах северных водоемов и ряда горных рек концентрация их составляет около 50 мг/л. В подземных водах при наличии больших количеств диоксида углерода оно значительно повышается (нарзан -- 1,24 г/л). Значения рН большинства природных вод обусловлены наличием в них именно этих ионов. Кислоты и основания, попадающие в природную воду, нейтрализуются растворенными в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами:

H+ + HCO3- - H2O + CO2^

OH- + CO2 - HCO3-

Гидрокарбонат-ионы нейтрализуют кислоты, попадающие в водоем с атмосферными осадками или образующиеся в результате жизнедеятельности организмов. С концентрацией гидрокарбонат-ионов напрямую связана устойчивость водоемов к кислотным дождям. Первичным источником НСO3- и СO32- служат различные карбонатные породы (известняки, доломиты, мергели и др.), карбонатный цемент осадочных пород и иногда магматические процессы (локальное значение). Преобладание гидрокарбонатных ионов для большинства рек объясняется соприкосновением речных вод преимущественно с относительно хорошо промытыми верхними слоями почв и пород и поэтому бедными легкорастворимыми хлоридами и сульфатами.

Хлоридные ионы Присутствуют почти во всех природных водах. В речных водах и водах пресных озер их содержание колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а иногда и тысяч миллиграммов на литр. В морских и подземных водах содержание хлоридов значительно выше - вплоть до пересыщенных растворов и рассолов. Хлориды являются преобладающим анионом в высокоминерализованных водах. Основными естественными источниками поступления хлоридов в природные воды являются: 1) вынос из почв и водовмещающих пород; 2) принос хлоридов ветром и атмосферными осадками из океана 3) растворение солевой пыли, содержащейся в атмосфере. Все хлориды хорошо растворимы, их осаждение из воды возможно лишь при замерзании и испарении. Они относительно слабо подвержены ионному обмену, адсорбции и воздействию биологических факторов. Таким образом, если в водном растворе оказался хлорид, естественные процессы с трудом выводят его из раствора. Повышенное содержание хлоридов ухудшает вкусовые качества воды и делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения, ограничивает ее применение для многих технических и хозяйственных целей. Помимо естественных источников, хлориды попадают в водоемы с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, служат одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Сульфатные ионы, Так же как и хлоридные, распространены повсеместно в природных водах. Концентрация их колеблется в пределах 0,2-100 мг/л. Наименьшая концентрация сульфат-иона наблюдается в атмосферных осадках. В речных водах и в воде пресных озер содержание сульфатов изменяется от 5 до 60 мг/л; в дождевых -- от 1 до 10 мг/л; в подземных водах значительно выше и нередко достигает десятков промилле. Природные воды, в химическом составе которых преобладают сульфатные ионы (SO42-) (по количеству эквивалентов), называются сульфатными водами. Относительное содержание сульфатов составляет в таких водах более 25%. Химический состав сульфатных вод связан с растворением солей, содержащихся в осадочных породах. В поверхностные воды сульфатные ионы поступают главным образом за счет процессов химического выветривания и растворения сульфатсодержащих минералов (гипса, ангидрита и др.); выщелачивания солончаков; окисления сульфидов и серы; биохимических процессов разложения органических веществ, а также со сточными водами промышленных предприятий и сельскохозяйственного производства. Сульфаты обладают хорошей миграционной способностью, но уступают хлоридам. Коллоиды почв почти не задерживают SO42-. Содержание сульфатов в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов кальция Са2+, так как образуемое ими соединение CaSO4 -- малорастворимое. Сезонная динамика сульфатов в поверхностных водах определяется меняющимся соотношением между поверхностными и подземными водами, а также влиянием окислительно-восстановительных процессов и биологической обстановки в водном объекте. Повышенное содержание сульфатов ухудшает органолептические свойства воды и оказывает физиологическое воздействие на организм человека.

Ионы кальция - наиболее распространенный катион природных вод. Они поступают в воду в результате выщелачивания из пород и почв. Содержание кальция в водах лимитируется концентрацией СО2. Поверхностные воды при равновесии с атмосферным углекислым газом могут содержать 20-30 мг/л кальция при насыщении. Содержание иона кальция в поверхностной воде увеличивается до 40-50 мг/л за счет комплекса двуокиси углерода, гидрокарбоната и карбоната кальция. В сульфатных водах содержание иона кальция определяется растворимостью сульфата кальция и может быть довольно высоким (до 600 мг/л). При увеличении двуокиси углерода концентрация кальция в почвенной воде достигает 100 мг/л и более. химический минерализация природный вода

Ионы магния По своим геохимическим свойствам близки к ионам кальция. Растворимость карбоната магния также зависит от наличия двуокиси углерода. В условиях равновесия с углекислым газом атмосферы в природные воды поступает до 190 мг/л магния. В почвенных водах с повышенным содержанием двуокиси углерода количество растворенного магния значительно возрастает. Концентрация магния в воде обычно составляет от 1 до 40 мг/л. Вода, контактирующая с породами, богатыми магнием, может содержать до 100 мг/л Mg2+, но более высокие концентрации редки, за исключением морской воды и рассолов.

Концентрация Ионов натрия в природных водах колеблется для поверхностных вод от 0,6 до 300 мг/л в зависимости от физико-географических условий и геологических особенностей водных бассейнов, для подземных - от миллиграммов до граммов и десятков граммов в литре, что определяется составом водовмещающих пород и глубиной залегания подземных вод. Основным источником поступления ионов натрия в поверхностные воды суши являются изверженные и осадочные породы, самородные растворимые хлористые, сернокислые и углекислые соли натрия. Большое значение также имеют биологические процессы, протекающие в водосборе, в результате которых образуются растворимые соединения натрия. Натрий поступает в природные воды также с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей. В поверхностных водах натрий мигрирует преимущественно в растворенном состоянии.

Источником поступления в поверхностные воды Ионов калия Являются породы (полевой шпат, слюда) и растворимые соли. Различные растворимые соединения калия образуются также в результате биологических процессов, протекающих в коре выветривания и почвах. Ионы калия поступают в природные воды с хозяйственно-бытовыми, промышленными сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей. Для калия характерны склонность сорбироваться на высокодисперсных частицах почв, пород, донных отложений и задерживаться растениями в процессе их питания, роста. Это приводит к меньшей подвижности калия по сравнению с натрием, и поэтому калий находится в природных водах, особенно поверхностных, в более низкой концентрации, чем натрий. Концентрация в речной воде обычно не превышает 18 мг/л. В подземных водах, как и у натрия, концентрация колеблется от миллиграммов до граммов и десятков граммов в литре, что определяется составом водовмещающих пород и глубиной залегания подземных вод.

Кроме ионов HCO3-, CO32-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+ , которые являются преобладающими анионами или катионами в большинстве типов поверхностных и подземных вод регионального распространения, к главным ионам океанических, морских и некоторых подземных вод можно отнести J-, Br-, B3+, Sr2+ и др.; H2SiO3 -- в некоторых локальных типах грунтовых вод с очень малой минерализацией; Fe3+, Fe2+, Al3+ преобладают в природных водах с низкими значениями рН, а также нередко нитраты (NO3-) и ионы аммония (NH4) в поверхностных водах. Суммарная концентрация растворенных в природных водах веществ, представленных главными ионами, называется суммой ионов (? И). В поверхностных водах суши она, как правило, соответствует минерализации воды.

Похожие статьи




Химический состав природных вод, Главные ионы - Основные компоненты химического состава природных вод

Предыдущая | Следующая