Структурные особенности водных растворов и природное растворообразование. Водные растворы как смеси изотипных структурно-энергетических позиций воды и растворенных веществ

Проблема образования водных растворов относится к числу сложных и трудных, что объясняется прежде всего отсутствием до сих пор хорошо разработанной и апробированной теории растворов вообще и водных растворов в частности.

Гидрогеологами и гидрохимиками собраны и систематизированы многочисленные данные по гидрохимии поверхностной и подземной гидросферы, позволяющие составить довольно полное представление о химических разновидностях природных вод и о распределении их в поверхностных водоемах и в верхней части литосферы. На протяжении десятилетий получены массивы данных о растворимости в водно-солевых системах, а также различных веществ в условиях повышенных температур и давлений.

Расширяются исследования структуры водных растворов. Продолжается расшифровка тонких механизмов межатомных и межмолекулярных взаимоотношений методами квантовой механики. Значительное влияние на структуру воды оказывают растворяющиеся в ней вещества. Ионы с большим зарядом и малым радиусом усиливают водородные связи и стабилизируют структуру воды. Это так называемые положительно гидратирующиеся ионы. К ним относятся Li⁺, Nа⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, Fe²⁺, НСО₃^–, SO₄^2–. Крупные однозарядные ионы (Cl^–, Br^–, I^–, К⁺, Rb⁺, Сs⁺) — это отрицательно гидратирующиеся ионы. Они ослабляют и разрушают водородные связи и разупорядочивают структуру воды. Изменения, происходящие в структуре воды под влиянием ионов, аналогичны воздействию температуры, что позволило Дж. Берналу и Р. Фаулеру ввести понятие о структурной температуре раствора. Структурная температура ионного раствора — это температура, при которой чистая вода будет иметь ту же внутреннюю структуру и те же физические свойства (вязкость, диэлектрическая проницаемости и т.д.), что и ионный раствор при данной температуре. Отрицательно гидратирующиеся ионы повышают структурную температуру ионного раствора, положительно гидратирующиеся — понижают её. Надо иметь в виду, что с ростом концентрации ионов в растворе отрицательно гидратирующиеся ионы превращаются в положительно гидратирующиеся. Это значит, что при определённой концентрации солей в растворе структура этого раствора существенно упорядочена независимо от набора ионов.

Эти представления имеют большое значение для понимания процессов образования высококонцентрированных подземных вод.

Многообразие составов и состояний водных растворов, наличие специфических энергетических эффектов, сопровождающих растворообразование, с одной стороны, и сравнительная легкость перехода от одной (основной уголковой) формы молекул к другой (возбужденной линейной или плоскостной в случае Н₃О) свидетельствует о том, что в природе возможен целый спектр состояний воды, сопряженных с глубоко идущими изменениями, и что, по видимому, пора отказаться от широко распространенного представления о как бы жесткой структуры жидкой водяной фазы, зависящей в основном от расположения в пространстве неизменяющихся молекул и от различных их сочленений: « возможно, что главную роль, определяющую структуру и жидкой фазы и способы расположения сольватных молекул около ионов, могут играть внутримолекулярные (энергетические и другие) параметры, гораздо более разнообразные, чем думали недавно».

Нет никакого сомнения, что природа химической связи, несмотря на специфические и индивидуальные различия, во всех телах и всех их состояниях принципиально едина, и целый ряд зависимостей, установленных в последние годы физикой и химией твердых тел, в частности в изоморфизме, действует в водных растворах.

Подобно изоморфным, растворы представляют собой смеси взаимозаместимых эквивалентных структурно-энергетических позиций (СЭП) атомов или их групп.

Ведь подземными водами обычно называют свободные жидкие воды, передвигающиеся в пустотах горных пород, или несколько иначе, к подземным водам относится капельно–жидкая вода, заполняющая пустоты и поры в горных породах и способная к перемещению в них и вытеканию из них. А как быть с водяным паром? Как быть со льдом, который широко распространён под землёй на просторах Северной Евразии? Как быть с прочно физически связанной водой в глинах, которая отпрессовывается из них при значительном давлении? Как быть с химически связанной водой, которая входит в состав минералов в виде кристаллизационной воды (например, гипс — СаSO₄·2Н₂О) или конституционной (например, каолинит — А1₂Si₂O₅(ОН)₄)? Совершенно ясно, что понять природу капельно–жидкой, собственно подземной, воды можно лишь в том случае, если иметь в виду, что в природе существуют сложные и многочисленные взаимопереходы между жидкой водой, паром и льдом, между свободной, физически и химически связанными разновидностями воды. Таким образом, строго говоря, объектом гидрогеохимии является или должна являться вся подземная гидросфера, т.е. материальная система, охватывающая все внутриземные молекулы Н₂О.