- •Физико-химические процессы в гидросфере Учебное пособие
- •Физико-химические процессы в гидросфере
- •1. Аномальные свойства воды и состав природных вод
- •Примеры решения задач
- •2. Способы классификации природных вод
- •Примеры решения задач
- •3. Основные процессы формирования химического состава природных вод
- •3.1. Процессы растворения газов в природных водах
- •3.2. Процессы растворения твердых веществ в природных водах
- •3.3. Жесткость природных вод
- •Примеры решения задач
- •4. Кислотно-основное равновесие в природных водоемах
- •4.1. Карбонатная система и рН атмосферных осадков
- •4.2. Растворимость карбонатов и рН подземных и поверхностных природных вод
- •4.3. Карбонатное равновесие в океане
- •4.4. Щелочность природных вод
- •4.5. Процессы закисления поверхностных водоемов
- •Примеры решения задач
- •5. Окислительно-восстановительные процессы в гидросфере
- •2.5.1. Окислительно-восстановительное равновесие
- •5.2. Взаимосвязь между окислительно-восстановительными и кислотно-основными характеристиками природных вод
- •5.3. Редокс-буферность природных вод
- •5.4. Особенности окислительно-восстановительных процессов в озерах
- •5.5. Особенности окислительно-восстановительных процессов в океане
- •5.6. Особенности окислительно-восстановительных процессов в подземных водах
- •5.7. Окислительно-восстановительные условия и миграция элементов
- •Примеры решения задач
- •Контрольные вопросы
- •Модуль № 2. Физико-химические процессы в гидросфере
- •Задачи ко второму учебному модулю
- •Ответы на задачи для самостоятельного решения
- •Литература
- •Приложение
- •Оглавление
3. Основные процессы формирования химического состава природных вод
При формировании химического состава природных вод принято выделять прямые и косвенные, а также главные и второстепенные факторы, влияющие на содержание в них растворенных компонентов.
Прямыми называют факторы, которые оказывают непосредственное влияние на химический состав воды и связаны с химическим составом контактирующих с данной природной водой веществ (минералов, горных пород, почв и др.).
Косвенные факторы оказывают влияние на состав природных вод через посредство прямых факторов; к ним относятся температура, давление и др.
Главные факторы определяют содержание главных анионов и катионов (т. е. класс и тип воды по классификации О.А. Алекина).
Второстепенные факторы вызывают появление некоторых особенностей данной воды (цвета, запаха и др.), но не влияют на ее класс и тип.
По характеру воздействия на формирование состава природных вод все факторы делят на 5 групп:
физико-географические (рельеф, климат и т. п.):
геологические (вид горных пород, гидрогеологические условия и т. п.);
биологические (деятельность живых организмов);
антропогенные (состав сточных вод, состав твердых отходов и т. п.);
физико-химические (химические свойства соединений, кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия и др.).
3.1. Процессы растворения газов в природных водах
Когда идеальный газ находится в равновесии с растворителем, то количество газа, которое растворено, пропорционально парциальному давлению данного газа. Это утверждение, которое известно как закон Генри, может быть записано математически следующим образом:
Сi,р-р = КГiРi, (1)
где Сi,р-р – концентрация i-й примеси в растворе, моль/л;
КГi – константа Генри для данной температуры раствора, моль/(л . Па) или моль/(л-атм);
Рi – парциальное давление i-й примеси в газовой фазе, находящейся в равновесии с раствором, Па или атм.
Простой иллюстрацией закона Генри, с которой можно столкнуться в повседневной жизни, является поведение газированного напитка. Газированный напиток приготовлен растворением СО2 при давлении около 2 атм. Не заполненное жидкостью пространство в бутылке содержит СО2 под этим давлением. Когда газированный напиток открыт и находится в контакте с воздухом, где парциальное давление диоксида углерода значительно ниже, то равновесие нарушается, и СО2 выходит из раствора (этот процесс сопровождается шипением напитка).
При нагревании растворов растворимость в них газов понижается. Из изменения КГi п с температурой можно вывести основной термодинамический принцип, управляющий растворением газов, а именно: переход из газообразного состояния в растворенное – процесс, для которого Н0 и S0 являются отрицательными величинами. Растворенное состояние более упорядоченно, чем газ. Повышение температуры, таким образом, способствует переходу растворенных газов в газообразное состояние (–TS0 для растворения становится более положительным). Практическое следствие, например, – это выделение растворенных летучих соединений из горячей воды и их накопление в закрытых душевых кабинках (например, радона или летучих органических соединений – таких, как трихлорэтилен). С этим явлением связано и уменьшение содержания кислорода в верхнем слое воды рек и озер в жаркие летние дни. Поэтому крупные рыбы в летние дни чаще находятся на глубине, где температура ниже и равновесное содержание кислорода выше. Некоторое понижение температуры рек и увеличение интенсивности обмена между воздухом атмосферы и речной водой происходит, как известно, на перекатах и речных порогах. Поэтому эти места более привлекательны для рыб и известны опытным рыболовам.