Ионный состав природных вод

Ионный состав природных вод. Происходящее в почвах процессы окисления органических веществ вызывают расход кислорода и выделение углекислоты, поэтому в воде при фильтрации е через почву возрастает содержание углекислоты, что приводит к обогащению природных вод карбонатами кальция, магния и железа, с образованием растворимых в воде кислых солей типа CaCO3 H2O CO2 CaHCO32 Бикарбонаты присутствуют почти во всех водах в тех или иных количествах. Большую роль в формировании химического состава воды играют подстилающие почву грунты, с которыми вода вступает в соприкосновение, фильтруясь и растворяя некоторые минералы.

Особенно интенсивно обогащают воды осадочные породы, такие, как известняки, доломиты, мергели, гипс, каменная соль и др. В свою очередь почва и породы обладают способностью адсорбировать из природной воды некоторые ионы например, Ca2 , Mg2, замещая их эквивалентным количество других ионов Na , K. Подпочвенными водами легче всего растворяются хлориды и сульфаты натрия и магния, хлорид кальция.

Силикатные и алюмосиликатные породы граниты, кварцевые породы и т.д. почти нерастворимы в воде и содержащей углекислоту и органические кислоты. Наиболее распространенными в природных водах являются следующие ионы Cl- ,SO ,HCO ,CO ,Na ,Mg2 ,Ca2 ,H. Ион хлора присутствует почти во всех природных водоемах, причем его содержание меняется в очень широких пределах.

Сульфат - ион также распространен повсеместно. Основным источником растворенных в воде сульфатов является гипс. В подземных водах с содержанием сульфат - иона обычно выше, чем в воде рек и озер. Из ионов щелочных металлов в природных водоемах в наибольших количествах находится ион натрия, который является характерным ионом сильноминерализованных вод морей и океанов.

Ионы кальция и магния в маломинерализованных водах занимают первое место. Основным источником ионов кальция является известняки, а магния - доломиты MgCO3 ,CaCO3. Лучшая растворимость сульфатов и карбонатов магния позволяет присутствовать ионам магния в природных водах в больших концентрациях, чем ионов кальция. Ионы водорода в природной воде обусловлены диссоциацией угольной кислоты. Большинство природных вод имеют pH в пределах 6,5 - 8,5. Для поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно выше, чем для подземных.

Соединения азота в природной воде представлены ионами аммония, нитритными, нитратными ионами за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения. Ионы аммония, кроме того, попадают в водоемы со сточными промышленными водами. Соединения железа очень часто встречаются в природных водах, причем переход железа в раствор может происходить под действием кислорода или кислот угольной, органических.

Так например, при окислении весьма распространенного в породах пирита получается сернокислое железо FeS2 4O2 Fe2 2SO , а при действии угольной кислоты - карбонат железа FeS2 2H2CO3 Fe2 2HCO3 H2S S. Соединения кремния в природных водах могут быть в виде кремниевой кислоты. При pH 8 кремниевая кислота находится практически в недиссоциированном виде при pH 8 кремниевая кислота присутствует совместно с HSiO , а при pH II - только HSiO . Часть кремния находится в коллоидном состоянии, с частицами состава HSiO2H2O , а также в виде поликремневой кислоты XSiO2YH2O. В природных водах присутствуют также Al3 ,Mn2 и другие катионы.

Помимо веществ ионного типа природные воды содержат также газы и органические и грубоцисперсные взвеси. Наиболее распространенными в природных водах газами являются кислород и углекислый газ. Источником кислорода является атмосфера, углекислоты - биохимические процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры, углекислота из атмосферы. Из органических веществ, попадающих извне, следует отметить гуминовые вещества, вымываемые водой из гумусовых почв торфяников, сапропелитов и др Большая часть из них находится в коллоидном состоянии. В самих водоемах органические вещества непрерывно поступают в воду в результате отмирания различных водных организмов.

При этом часть из них остается взвешенной в воде, а другая опускается на дно, где происходит их распад. Грубодисперсные примеси, обуславливающие мутность природных вод, представляют собой вещества минерального и органического происхождения, смываемые с верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних паводков.

Гл. 8. Подземные воды. Советский ученый Лебедев на основе многочисленных экспериментов разработал классификацию видов воды в почвах и грунтах. Представления А.Ф.Лебедева, получившие дальнейшее развитие в более поздних исследованиях, позволили выделить следующие виды воды в горных породах в форме пара, связанную, свободную, в твердом состоянии.

Парообразованная вода занимает в породе поры, не заполненные жидкой водой, и перемещается за счет различной величины упругости пара или потоком воздуха. Конденсируясь на частицах породы, водяные пары переходят в другие виды влаги. Различают несколько видов связанной воды. Сорбированная вода удерживается частицами породы под влиянием сил, возникающих при взаимодействии молекул воды с поверхностью этих частиц и с обменными катионами. Сорбированную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Если влажную глину подвергать давлению, то даже под давлением в несколько тысяч атмосфер часть воды невозможно удалить из глины. Это прочносвязанная вода. Полное удаление такой воды достигается лишь при температуре 150 - 300оС. Чем меньше минеральные частицы, слагающие породу, и, следовательно, выше их поверхностная энергия, тем большее количество прочносвязанной воды в этой породе. Рыхлосвязанная, или пленочная, вода образует плнку вокруг минеральных частиц. Она удерживается слабее и довольно легко удаляется из породы под давлением.

Особенно важную роль играет сорбированная вода в глинистых породах. Она влияет на прочностные свойства глин и фильтрационную способность. Как уже указывалось, связанная вода участвует в строении кристаллических решток некоторых минералов. Кристаллизационная вода входит в состав кристаллической рештки. Гипс, например, содержит две молекулы воды CaSO42H2O. При нагревании гипс теряет воду и превращается в ангидрит CaSO4. Известно, что при температуре около 4оС вода имеет максимальную плотность 1,000 гсм3. При 100оС е плотность - 0,958 гсм3, при 250оС - 0,799 гсм3. За счет пониженной плотности происходит конвективное, восходящее движение нагретых подземных вод. Принято считать, что вода практически несжимаема.

Действительно, коэффициент сжимаемости воды, показывающий, на какую долю первоначального объема уменьшится объм воды при увеличении давления на I aт, очень мал. Для чистой воды он равен 510-5 Iат. Однако упругие свойства воды, а также водовмещающих пород играют важнейшую роль в подземной гидродинамике.

За счет сил упругости создается напор подземных вод. Температура и давление действуют на плотность воды в противоположном направлении. Плотность подземных вод зависит также от их химического состава и концентрации солей. Если пресные подземные воды имеют плотность, близкую к 1 гсм3, то плотность концентрированных рассолов достигает 1,3 - 1,4 гсм3. Повышение температуры приводит к значительному уменьшению вязкости подземных вод и, таким образом, облегчает их движение через мельчайшие поры. Подземные воды исключительно разнообразны по свому химическому составу.

Высокогорные источники обычно дают очень пресную воду с низким содержанием растворенных солей, иногда менее 0,1 г. в 1 л а в одной из скважин в Туркменистане был рассол с минерализацией 547 гл. Гл. 9.