Лекция 4 Формирование химического состава природных вод Курс

Лекция 4. Формирование химического состава природных вод. Курс лекций «Гидрохимия и охрана водных ресурсов» . Направление «Экология и природопользование» . Решетняк Ольга Сергеевна, с. н. с. , к. г. н. ФГБУ «ГХИ» 1

ПО ХАРАКТЕРУ СВОЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД, ДЕЛЯТСЯ НА СЛЕДУЮЩИЕ ГРУППЫ: 1) физико-географические (рельеф, климат, испарение, выветривание, почвенный покров); 2) геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия); 3) физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешение вод и катионный обмен); 4) биологические (деятельность растений и живых организмов); 5) искусственные (антропогенные) (все факторы, связанные с деятельностью человека). 2

1. ФИЗИКО-ГЕОГРФИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 1. 1. Рельеф, являющийся косвенным фактором формирования состава вод. Он оказывает влияние на условия водообмена, а от последних зависят минерализация и химический состав природных вод. Рельеф перераспределяет выпадающие на земную поверхность осадки. С рельефом местности связаны солевой режим почв, заболоченность местности, обусловливающая специфический состав вод 3

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА Рельеф оказывает влияние на направление и характер течения рек. Вода в реке движется под воздействием силы тяжести, из более высоких мест в более низкие. Особенности рельефа России таковы, что большинство рек текут на север. 4

ВЛИЯНИЕ КЛИМАТА 1. 2. Климат (косвенный фактор) определяет метеорологические условия, от которых зависит водный режим поверхностных и подземных вод. К основным метеорологическим элементам, воздействующим на состав природных вод, относятся атмосферные осадки, температура и испарение. Минерализация атмосферных осадков, как правило, ниже минерализации речных и озерных вод. Выпадающие осадки обычно уменьшают минерализацию поверхностных и подземных вод. Повышение температуры воздуха влияет на газовый режим водного объекта, сказывается на выпадении из нее карбонатов кальция. Химический состав вод изменяется также под влиянием низких температур в процессе промерзания. При кристаллизации льда выделяются труднорастворимые соединения, а в растворах сохраняются наиболее легкорастворимые при низких температурах соединения, к которым принадлежат хлориды кальция, магния и натрия. 5

ВЛИЯНИЕ ИСПАРЕНИЯ 1. 3. Испарение - один из мощных (прямой) факторов формирования минерализации и химического состава поверхностных и грунтовых вод. Наиболее действенным этот фактор становится в аридных районах, где отношение суммарного испарения к сумме атмосферных осадков оказывается наибольшим. В засоляющихся под влиянием испарения поверхностных водоемах происходит выпадение солей, сначала менее, а потом более растворимых. В результате этого гидрокарбонатные воды преобразуются сначала в сульфатные, а затем сульфатно-хлоридные и даже хлоридные. Происходит постепенное концентрирование солей в природных водах, особенно в грунтовых водах. 6

ВЛИЯНИЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ 1. 4. Выветривание. Это совокупность процессов разрушения горных пород, находящихся на земной поверхности или вблизи ее под влиянием колебаний температуры, УФ-излучения, действия ветра, химического воздействия атмосферных осадков, воды и живых организмов. Выветривание различают физическое, химическое и биологическое. Физическое выветривание происходит под влиянием колебаний температуры и неравномерного нагревания пород солнечными лучами. Это приводит к механическому раздроблению пород на различного размера обломки без изменения их химического состава. В областях где температура опускается ниже нуля разрушение пород происходит за счет расширения льда при замерзании воды. 7

ВЛИЯНИЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ Химическое выветривание горных пород осуществляется под действием воды и образующихся в ней кислот. Химическое выветривание складывается из растворения, гидролиза, гидратации, окисления. Различают два вида химического выветривания: углекислотное и сернокислотное. Интенсивность углекислотного выветривания определяется концентрацией СО 2 в водах, однако не вся углекислота способна взаимодействовать с породой, а только часть ее, называемая «агрессивной углекислотой» , т. е. та, которая является избыточной по отношению к равновесному содержанию кальция. 8

ВЛИЯНИЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ Биологическим выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения минералов горных пород под воздействием поселившихся на них организмов, продуктов их жизнедеятельности и продуктов разложения органических остатков. Важный агент выветривания — растительность. 9

ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА 1. 5. Почвы. Прямой мощный фактор формирования химического состава природных вод. Почвы, как известно, обогащают воду ионами, газами, органическим веществом. Способность почвенного раствора и фильтрующихся через почву атмосферных осадков растворять породы является одним из важнейших свойств почвы, влияющих на формирование химического состава природных вод. Влияние почвенного покрова на формирование вод двояко: с одной стороны, почвы могут увеличивать минерализацию фильтрующихся через них атмосферных осадков, а с другой — изменять уже сложившийся химический состав грунтовых вод, вступающих с почвами во взаимодействие. Количественная сторона этих процессов определяется типом почв. 10

2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 2. 1. Горные породы — ведущий фактор формирования минерализации и химического состава природных вод. Главнейшими растворимыми минералами, определяющими в основном химический состав природных вод, являются галит Na. Cl, гипс Ca. SО 4 ∙ 2 H 2 О, кальцит Са. СО 3, доломит Са. Мg(СОз)2. Такие хорошо растворимые минералы, как мирабилит Na 2 SО 4 ∙ 10 H 2 О (глауберова соль), астраханит Мg. SО 4 ∙ 4 H 2 О, глауберит, имеют узко локальное распространение. 2. 2. Такие геологические факторы, как тектоника и гидрогеология района, играют существенную роль при формировании химического состава в основном подземных вод. Для поверхностной гидросферы эти факторы являются второстепенными. 11

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 3. 1. Химические свойства элементов. Обогащение природной воды тем или иным элементом определяется не только его общим содержанием в породах и почвах, но и миграционной способностью, т. е. способностью к перемещению, зависящей от физико-химических констант данного иона и условий среды, в которой происходит миграция. А. Е. Ферсман различает внутренние и внешние факторы миграции, сочетание которых и определяет поведение химических элементов в природных водах. К внутренним факторам относятся такие характеристики элементов, как: валентность, ионные радиусы, ионные потенциалы, к внешним — энергетика Земли, состав атмосферы, биогенные условия и климат. 12

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ От валентности и ионных радиусов зависит поведение ионов в водных растворах. Чем больше валентность Ме, тем менее растворимые соединения он образует, тем ниже миграционная способность. Подвижность гидратированных ионов тем больше, чем меньше ионные радиусы и валентность. Если принять во внимание значения указанных параметров, то наивысшей миграционной способностью должны обладать следующие ионы: NO 3 - >Сl->SO 42 ->СО 3 2 - ; К+>Na+>Са 2+>Mg 2+. Однако в зависимости от характера среды подвижность ионов резко меняется. Миграционная способность элементов в значительной степени зависит от р. Н выпадения гидроксидов. Многие химические элементы подвижны в широком диапазоне р. Н и могут интенсивно мигрировать как в кислой, так и в щелочной среде (натрий, калий, цезий, литий, рубидий, фтор, хлор, бром, иод и др. ). 13

3. 2. Окислительно-восстановительные процессы оказывают существенное влияние на миграционную способность элементов, на их рассеяние и концентрацию. Различают окислительную и восстановительную среды (обстановки). Все разновидности окислительной обстановки характеризуются присутствием в водах свободного кислорода атмосферы. Кроме кислорода, окислителями могут быть элементы, находящиеся в высоких степенях окисления, такие, как Fе 3+, Mn 4+, S 6+, Cu 2+ и другие. Если свободный кислород отсутствует, то показателем окислительных обстановок является трехвалентное железо. В восстановительной средее кислород отсутствует. Появляются такие газы, как NH 3, H 2 S. Важнейшими агентами восстановительных реакций в природных водах являются микроорганизмы, разлагающие органическое вещество. 14

ВЛИЯНИЕ ГИДРОЛИЗА 3. 3. Гидролиз —это химическое взаимодействие ионов растворенной соли с водой, сопровождающееся изменением реакции среды. Гидролизу подвержены соли слабых кислот и слабых оснований, слабых кислот и сильных оснований, сильных кислот и слабых оснований. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются. Если в природной воде присутствуют сильные катионогенные элементы (Na+, К+) и анионы слабых кислот (HCO 3 - , CО 3 2 -, HS-, Н 2 ВО - и др. ), происходит гидролиз этих анионов, который сопровождается разложением воды и связыванием иона H+ в слабодиссоциирующее соединение. В результате активность иона ОН- становится больше активности H+. Так как в природных водах среди анионов слабых кислот преобладает ион HCO 3 - , то обычно предполагается, что щелочность природных вод создается в основном гидролизом карбонатных ионов. 15

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 3. 4. Смешение вод в природе представляет собой очень распространенное явление. Это один из наиболее быстро протекающих процессов, при котором могут одновременно захватываться очень большие объемы взаимодействующих вод. Характер взаимодействия определяется минерализацией и химическим составом смешивающихся вод. Интенсивное выпадение осадка происходит при смешивании вод, содержащих несовместимые соли-антагонисты, например Na. HCO 3 и Ca. SО 4, Na 2 SО 4 и Ca. Cl 2. В результате реакций Ca. SО 4 + 2 Na. HСО 3 → Na 2 SО 4 + Са. СО 3 ↓+ H 2 О + CO 2 Ca. Cl 2 + Na. HСО 3 + 2 H 2 О → 2 Na. Cl + Са. SО 4 *2 H 2 О↓ формируется новая вода, не похожая на исходные воды. 16

3. 5. КАТИОННЫЙ ОБМЕН в формировании химического состава воды 3. 5. Катионный обмен. Интенсивность катионного обмена зависит от многих факторов, главными из которых являются степень дисперсности породы, природа обменивающихся катионов, р. Н среды, концентрация электролитов в растворе. 1) Обычно чем выше дисперсность породы, тем больше способность ее к обмену. Влияние катионного обмена на химический состав воды заметно сказывается в глинах и глинистых породах. 2) Чем выше валентность атома, тем сильнее эти ионы поглощаются и удерживаются породой. Если же катионы имеют одинаковую валентность, поглощение растет с ростом относительной атомной массы. По энергии обмена катионы располагаются в следующий ряд (К. К. Гедройц): H+ > Fe 3+> Al 3 + > Ba 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K+ > Na+ 17

3. 5. КАТИОННЫЙ ОБМЕН в формировании химического состава воды 3) Реакция среды влияет на поглощение катионов. Чем больше водородных ионов присутствует в воде, тем сильнее они препятствуют вхождению других катионов в коллоидный комплекс почв. Обменная способность почвы повышается при увеличении р. Н раствора, с которым почва находится в равновесии. В частности, при увеличении р. Н среды от 6 до 11 емкость обмена может увеличиваться в 2— 3 раза. В природных водах совершается главным образом катионный, а не анионный обмен. 4) Концентрация электролитов в растворе играет существенную роль в адсорбционно-обменных процессах. Наблюдения показывают, что с увеличением концентрации обменная способность возрастает. 18

4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 4. 1. Растительность - косвенный фактор влияния на химический состав поверхностных вод, но она является важным фактором формирования химического состава грунтовых вод в аридных климатических условиях. Транспирируя огромное количество влаги, растительность вызывает интенсивное понижение уровня, увеличение минерализации грунтовых вод и связанное с последним изменение их химического состава. Растительность оказывает влияние на характер почвенных реакций, и тем самым на кислотность водной среды. Водные растения изменяют газовый и химический состав водоемов. 19

4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 4. 2. В пресноводных экосистемах растения и животные часто аккумулируют многие металлы в процессе своей жизнедеятельности. Фитопланктон некоторых рек накапливает в больших количествах свинец, в то время как зоопланктон водоемов концентрирует этот металл в значительно меньших количествах. Диатомовые, сине-зеленые водоросли и зоопланктон могут регулировать концентрации многих тяжелых металлов в воде и донных отложениях. Отмечается также, что интенсивность аккумуляции свинца в рыбах в значительной степени зависит от р. Н и температуры воды. 20

4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 4. 3. Микроорганизмы играют особо важную роль в биохимических процессах метаморфизации химического состава природных вод. В поверхностных и подземных водах обнаружены разнообразные группы бактерий. К их числу принадлежат: десульфатизирующие и сульфатредуцирующие бактерии, аммонификаторы, денитрификаторы, нитрификаторы и др. В процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы оказывают влияние на газовый режим водоемов и химический состав воды. При дыхании микроорганизмов поглощается кислород и выделяется диоксид углерода. Микроорганизмы разлагают в водоемах остатки отмерших растительных и животных организмов. Такая деятельность микроорганизмов имеет весьма серьезное санитарное значение для естественной очистки природных вод. 21

4. 3. МИКРОРГАНИЗМЫ В ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ Десульфатизирующие бактерии относятся к числу анаэробных организмов. С их жизнедеятельностью связаны процессы восстановления сульфатов и образование сероводорода. В результате десульфатизации из воды исчезают сульфатные ионы, появляются H 2 S и СО 2, меняется химический тип воды. Схематически восстановление сульфатов изображается следующим образом: C 6 H 12 O 6 + 3 Na 2 SО 4 → 3 CO 2 + 3 Na 2 СО 3 + 3 H 2 S + 3 H 2 О Аммонификаторы—бактерии, продуцирующие аммиак за счет разложения органических веществ, содержащих в своем составе белок. Нитрификаторы окисляют аммиак до нитритов и нитратов. Денитрификаторы разлагают нитриты и нитраты с выделением свободного азота: 2 HNO 3 → 2 HNO 2 → 2 HNO → N 2 ↑ 22

5. ИСКУССТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ 5. К искусственным (антропогенным) факторам относятся все факторы, которые оказывают воздействие на формирование состава вод в результате хозяйственной деятельности человека. Наибольшее влияние на качественные и количественные изменения водных ресурсов оказывают водопотребление на промышленные и хозяйственно-бытовые цели, сброс отработанных вод, урбанизация, зарегулирование стока рек и создание водохранилищ, сельхозмелиорация (орошение, обводнение, осушение) и т. д. 23

5. ИСКУССТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОДЫ По характеру воздействия искусственные факторы можно разделить на химические и физические. Химические факторы воздействия поступление в водные объекты веществ с водосбора, со сточными водами и из атмосферы, равно как и из других источников (например, в результате эксплуатации судов маломерного флота, сплав древесины и др. ), приводящие к изменению химического состава вод, сформированного естественным путем Физические факторы воздействия изменения физических параметров водных экосистем (температуры, Eh и др. ), которые приводят к нарушению естественных гидрохимических процессов и формированию вод нового состава 24

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ! 25