Лекция 4-2009

Лекция 4-2009
Щелочно-кислотные условия природных вод
Соотношение в воде свободных катиона Н+ и аниона – гидроксила ОНопределяют кислотные или щелочные свойства воды, которые количественно
измеряются водородным показателем рН. Нейтральная среда рН=7, кислая
менее 7, а щелочная от 7до 14.
Кислая среда способствует миграции большинства металлов, дающих в
растворы катионы металлов, а щелочная лишь для неметаллов, дающих
анионы. При образовании комплексных анионов повышается значение рН,
при котором начинается осаждение гидрооксидов и вообще повышается
растворимость.
Воды по рН. зоны гипергенеза Перельман разделил на 4 класса. К
сильнокислому относятся воды с рН < 3. Они распространены широко, но,
как правило, на небольших площадях. Кислотность таких вод обычно
обязана окислению пирита и других дисульфидов, приводящему к
образованию свободной серной кислоты. В сернокислых водах легко
мигрирует большинство металлов, в том числе Fe, Си, Al, Zn и др. В
вулканических районах и глубоких горизонтах артезианских бассейнов
известны и солянокислые воды.
К слабокислым относятся воды, рН которых колеблется от 3 до 6,5; чаще
всего их кислотность обусловлена разложением органических веществ,
приводящим к поступлению в воду СО2, фульвокислот и других
органических кислот. Если в горных породах мало подвижных сильных
катионов, то кислотность нейтрализуется неполностью и в системе
господствует слабокислая среда. В таких водах легко мигрируют металлы в
форме
бикарбонатов
и
комплексных
соединений
с
органическими
кислотами. Подобные воды распространены исключительно широко.
Нейmральные и слабощелочные! воды имеют рН от 6,5 до 8,5. Их реакция
часто определяется отношением бикарбоната Са к его карбонату или же
бикарбоната к СО2. Эти воды менее благоприятны для миграции
1
большинства металлов, которые осаждаются в форме нерастворимых
гидроксидов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы,
напротив, мигрируют сравнительно .пегко (5i, Ge, As, V, U, Мо, Sе и др.).
Такие воды особенно характерны для морей и океанов, аридных
ландшафтов, вод известняков и изверженных пород. При разложении
органических веществ в них тоже образуются СО2 и органические кислоты,
которые, однако, полностью нейтрализуются СаСОз и другими минералами
Са, а также Mg, Na, К, которыми богаты почвы и породы.
Сильнощелочные воды с рН > 8,5, обычно обязаны своей реакцией
присутствию соды (NaHC03, реже Nа2СОз), В щелочных содовых водах
легко мигрируют кремнезем, гуматы, АI (образующий растворимые
алюминаты Na), Мо. Большая группа элементов, соединения которых
трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых водах
обладает высокой миграционной способностью, тaк как в этих условиях
возникают карбонатные растворимые кoмплeкcы (Cu, Zn, Ве, У и редкие
земли иттровой группы, Sс, Zr и др.).
Для каждого класса вод характерны подвижные и «запрещенные»
элементы. Например, для сильно щелочных кислородных водах запрещены
ионы кальция, магния, стронция, бария, но не для натрия, лития, фтора,
молибдена, урана, иттрия, бериллия, бора.
Щеяочно-кислотная зональность, щелочные и кислые геохимичекие
барьеры.
Элементы, образующие сильные катионы .(К+, Na+, Са2+, Mg2+, Fe2+
и др.), имеют значительно более высокие кларки, чем элементы, образующие
сильные анионы (CI, F, С, V, 5, Р и др.). Поэтому кислые воды,
взаимодействуя
с горными породами, усредняются,
кислая реакция
сменяется нейтральной и щелочной
В результате смены кислых условий щелочными и наоборот в земной коре
возникает кислотно-щелочная зональность, а в местах резкого повышения рН
формируется щелочной барьер D. Он имеет особенно большое значение для
2
концентрации катионогенных элементов, интенсивность миграции которых в
кислой среде выше, чем в щелочной. Щелочной барьер возникает и там, где
слабощелочная среда сменяется резкощелочной, а также где сильнокислая
среда сменяется слабокислой. На D барьере образуются многие минералы гидроксиды, карбонаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты и др.
При резком уменьшении рН возникает кислый барьер Е, на котором
концентрируются анионогенные элементы - Si, Ge, Мо и др. Роль этого
барьера в образовании минералов, руд и аномалий меньше, чем щелочного.
Как и щелочной, кислый барьер может проявляться и в щелочных, и в
кислых условиях - лишь бы понижался рН. Кислые и щелочные барьеры
характерны как для гипергенных, так и гидротермальных систем.
Классификация природных вод по общей минерализация
По этому параметру выделяется следующий таксон (Перельман)
классификации
-семейства
вод,
границы
между
которыми
носят
искусственный характер. Условно выделено пять семейств.
1. ультрапресные воды ( < 0, 1 г/л) широко распространены в природе, к
ним относятся многие атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые
воды материков в районах влажного климата. Эти воды ненасыщены
практически всеми минеральными соединениями, поэтому из них не
осаждаются соли. Наоборот, они обладают большой растворяющей
способностью.
2. Пресные воды (0,1 - 1 г/л) характерны для большинства рек и озер
влажного климата, многих грунтовых, пластовых и трещинных вод. Эти
воды составляют главную базу питьевого и технического водоснабжения.
3. Солоноватые воды (1-3 г/л) широко распространены в степях,
пустынях и сухих саваннах, в артезианских бассейнах. Они насыщены
СаСОз, МgСОз, и частично CaS04. Поэтому растворяющая способность
вод ослаблена, при небольшом повышении концентрации из них
осаждаются трудно растворимые соли, которые обусловливают карбонатизацию и огипсование почв и пород.
3
4. Соленые воды (3-36 г/л). К ним относятся океанические, многие
поверхностные и подземные воды материков. Это самые распространенные воды нашей планеты.
5. Рассолы (> 36 г/л). Они характерны для некоторых соленых озер,
глубоких
горизонтов
пластовых
вод,
глубоких
трещинных
вод
изверженных пород. Преобладают хлоридные рассолы. Е. В. Пиннекер
делит рассолы на слабые (36-150 г/л), крепкие (150-320), весьма крепкие
(320-500) и предельно насыщенные (500 - 650 г/л).
Самая детальная классификация вод по общей минерализации разработана Н. И. Толстихиным. Он выделяет сверхпресные воды с
минерализацией менее 0,01 г/л, к которым относятся льды и снега
Центральной Антарктиды, высокогорий. Очень пресные воды с
минерализацией 0,01-0,03 г/л характерны для атмосферных осадков
районов влажного климата. Соленые воды и рассолы в этой
классификации делятся на семь типов - от весьма слабых до
сверхкрепких.
Жесткость воды и ее типы
Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей
кальция или магния, называется жесткой водой в противоположность
мягкой воде, содержащей мало солей кальция и магния или совсем не
содержащей их. Суммарное содержание этих солей в воде называется ее
общей жесткостью. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную
жесткость, Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов
кальция и магния, вторая - присутствием солей сильных кислот - сульфатов
или хлоридов кальция и магния. При длительном кипячении воды,
обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий
главным образом из СаСОз, и. одновременно выделяется СО2. Оба эти
вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция
Поэтому карбонатную жесткость называют также временной жесткостью.
Количественно
временную
жесткость
характеризуют
содержанием
4
гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при ее кипячении в течение часа.
Жесткость, остающаяся после такого кипячения, называется постоянной
жесткостью.
Жесткость воды выражают суммой миллиэквивалептов ионов кальция и
магния, содержащихся в 1 л воды. Один миллиэквивалент жесткости
отвечает содержанию 20,04 мг/л Са2+ или 12,16 мг/л Mg2+.
Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна
в разных водоемах, а в одной и той же реке изменяется в течение года
(минимальна во время паводка). Жесткость вод морей значительно выше,
чем рек и озер. Так, вода Черного моря имеет общую жесткость 65,5 мэкв/л.
Среднее значение жесткости воды мирового океана 130,5 мэкв/л (в том
числе на Са2+ приходится 22,б мэкв/л, на Mg2+-108 мэкв/л),
Имеет большое значение в экологии, жесткие воды способствуют
развитию мочекаменной болезни, заболеванию почек. Эти виды заболеваний
распространены в ряде районов нашей области, где широко развиты меловые
породы.
Химические свойства воды
Прежде
чем, приступить
к
изучению
экологических
аспектов
гидрогеохимии, необходимо вспомнить основные химические свойства воды.
Вода весьма устойчивое химическое вещество, она слабо диссоциирует
даже при 20000С. Степень термической диссоциации воды не превышает 2
%, Вода - весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов
и неметаллов соединяются с водой, образуя основания, кислоты; некоторые
соли образуют с водой кристаллогидраты и наиболее активные металлы
взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов
влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например,
хлор не взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло,
натрий не окисляется в атмосфере воздуха.
5
Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных
условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так называемые
гидраты газов. Примерами могут служить соединения Хе.6Н2О, C12.8Н2О,
С2Н6.6Н2О, СЗН817Н2О, которые выпадают в виде кристаллов при
температурах
от
0
до
240С
(обычно
при
повышенном
давлении
соответствующего газа). Подобные соединения возникают в результате
заполнения молекулами газа межмолекулярных полостей, имеющихся в
структуре воды ( «хозяина» ); они называются с о е д и н е н и я м и в к л ю ч
е н и я или к л а т р а т а м и.
В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «xoзяина»
образуются лишь слабые межмолекулярные связи: включенная молекула не
может покинуть своего места в полости кристалла преимущественно из-за
пространственных
затруднений.
Поэтому
клатраты
-
неустойчивые
соединения, которые могут существовать лишь при сравнительно низких
температурах. Они широко распространены например на дне северных
морей и могут стать заменой природного газа.
Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных
газов. Они успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в
соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают
льдоподобные кристаллы клатратов,_ а соли остаются в растворе. Похожую
на снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают.
Затем при некотором повышении температуры или уменьшении давления
клатраты разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь
используется
для
получения
клатрата.
Bысокая
экономичность
и
сравнительно мягкие условия осуществления этого процесса делают его
перспективным в качестве промышленного метода опреснения морской
воды.
6