Химия пресных поверхностных вод

Озера. Озера— это водоемы, не имеющие прямой связи с сис­темой Мирового океана. Они распространены на равнинных и гор­ных территориях, во влажных и засушливых, холодных и жарких гидротермических условиях. Суммарная площадь озер составляет 2% площади суши.

По химическому составу воды озер в самом первом приближе­нии можно разделить на пресные и соленые. Состав воды пресных озер обусловлен поступлением атмосферных и речных вод. В них концентрация солей невелика, а среди растворенных солей преоб­ладают гидрокарбонаты кальция, содержание которых увеличивается по мере аридизации климата.

Соленые воды крупных озер (типа Каспийского и Аральского) являются реликтовыми морскими. В условиях засушливого климата по причине интенсивного испарения повышается концентрация со­лей, что приводит к образованию мелководных соленых озер, ярким примером которых могут служить озера Эльтон и Баскунчак, распо­ложенные в низовьях Волги, Великое Соленое озеро в полупустынях Дальнего Запада США, озеро Эйр в пустынной Центральной равнине Австралии. В то же время соленые озера существуют и в холодных гумидных областях, в местах близкого расположения соленосных от­ложений (например, озеро Соленое близ г. Сольвычегорска) или на участках разгрузки соленосных подземных вод (например, Кулойские озера в бассейне реки Пинеги).

В составе солей доминируют хлориды натрия, магния, кальция и сульфаты натрия и магния. Наиболее часто встречаются соленые озера, с преобладанием хлоридов натрия и примесью других солей, либо горько-соленые, с преобладанием сульфатов натрия и хлоридов кальция. Значительно реже встречаются содовые озера, содержащие гидрокарбонат и карбонат натрия. Таким составом обладают многие озера Кулундинской и Барабинской степей Западной Сибири. Неко­торые содовые озера обязаны своим составом влиянию поствулканических процессов, например, озеро Магади в Кении, из которого до­бывается самосадочная сода (трона). Большой интерес представляют соленые озера, в которых сре­ди растворимых соединений присутствуют соли борной кислоты. Та­кие озера приурочены к резко аридным областям и известны в Иране, Тибете, в полупустынных районах США (штаты Калифорния, Орегон и Невада), в пустыне Атакама в Чили и других вулканических пус­тынях Южной Америки. Крупное борное озеро Индер находится в Прикаспийской низменности.

Среди осадков, образующихся на дне озер в результате хими­ческих и физико-химических процессов, для пресноводных озер хо­лодного и умеренного климата характерно образование конкреций, состоящих из минералов гидроксидов железа. В гумидных тропиче­ских ландшафтах к ним часто добавляются конкреции из минералов гидроксидов алюминия. В озерах, имеющих подток подземных вод гидрокарбонатного состава, накапливаются глинисто-карбонатные отложения так называемого болотного мергеля. В несоленых озерах аридных территорий — в степных, сухостепных и полупустынных ландшафтах — повсеместно происходит осаждение мелкокристал­лического кальцита, цементирующего обломочные частицы или об­разующего крупные конкреции. В соленых озерах при высокой кон­центрации растворимых веществ, близкой к насыщенным растворам, происходит кристаллизация соответствующих солей.

Среди биогенных осадков следует отметить скопления кремни­стых (опаловых) панцирей одноклеточных диатомовых водорослей, образующих диатомовые илы. Ареал распространения диатомовых водорослей очень широкий, поэтому диатомовые илы встречаются в озерах как холодных гумидных ландшафтов (озера Кольского полу­острова), так и в более теплых условиях (озеро Севан в Армении), а также в тропических странах (озеро Танганьика в Африке). Харак­терным биогенным осадком небольших озер гумидных областей яв­ляется сапропель (от греч. sapros — гнилой, pelos — глина, грязь). Он представляет собой органический ил, в значительной мере состоящий из останков одноклеточных зеленых и сине-зеленых водорослей, ко­торые разлагаются на дне без доступа кислорода. Иногда здесь обра­зуются черные аморфные скопления сульфида железа.

Отложения озер имеют важное практическое значение. Железо-оксидные конкреции озер Восточно-Европейской равнины с отда­ленных времен до середины XIX в. использовались для выплавки железа. Конкреции оксидов железа и алюминия (бокситы), образо­ванные в тропических озерах, служат алюминиевой рудой. Длительное время разрабатываются накопления соды, кристаллизующейся в крупных содовых озерах Северной и Южной Америки, Африки, Ти­бета и Ирана. Также производится разработка борсодержащих солей, осаждающихся в пустынных борных озерах. Диатомовые осадки (диатомит) используются в промышленности, а отложения сапропе­ля — в бальнеологических целях и в качестве удобрения.

Болота — это ландшафты с избыточным увлажнением, специ­фической влаголюбивой растительностью и процессом образования торфа. Хотя болота содержат от 90 до 97% воды и всего несколько процентов сухого органического вещества, они не могут рассматри­ваться как водоемы, так как преобладающая часть воды связана орга­ническим веществом торфа и растительностью. Существуют два ос­новных пути образования болот — зарастание озер и заболачивание суши. Эти процессы могут развиваться на разных элементах рельефа, но для образования значительных аккумуляций торфа необходимы определенные климатические и гидрохимические условия. Торф — скопление слабо разложившихся остатков болотных растений: мхов, трав, кустарников, отчасти деревьев. Благодаря тому, что растительные остатки насыщены водой, их преобразование про­текает в условиях дефицита кислорода. При этом происходит слож­ная трансформация органических соединений, в результате которой исходные органические вещества обогащаются углеродом. Транс­формационные процессы в значительной мере обусловлены микро­биологической деятельностью. Условия, подавляющие деятельность микроорганизмов, равно как условия, способствующие быстрому разрушению растительных остатков, препятствуют образованию торфа и его накоплению.

Болота разнообразны; в первом приближении их можно разде­лить на две большие группы континентальных (низинных и верхо­вых) и приморских болот. Многие низинные болота образовались в результате зараста­ния мелких озер. Торф низинных болот обогащен минеральными ве­ществами. При сжигании содержит большое количество золы, а на дне таких болот в условиях дефицита кислорода образуются неполноокисленные соединения двухвалентных железа и марганца в виде карбонатов и фосфатов. При доступе кислорода железо и марганец быстро окисляются и происходит трансформация соединений за счет увеличения степени окисления металлов и образования их оксидов и гидроксидов. Скопления оксидов железа в виде конкреций различной формы известны как болотные руды.

Торф верховых болот низкозолен и широко используетсякакэнергетическое сырье. Весьма своеобразны лесные болота приморских низменностей тропических и субтропических стран, распространенные на побе­режьях Флориды, Центральной Америки, островов Карибского бас­сейна, Юго-Восточной Азии. Поверхность этих низменностей посто­янно или во время приливов залита водой, по причине чего у деревь­ев выработались особые корни для газообмена, находящиеся над во­дой. Тропические приморские лесные болота называются манграми. Крупные аккумуляции торфа для мангров нетипичны, хотя есть све­дения о мощных (до 10—12 м) скоплениях древесного торфа в от­дельных местах на островах Индонезии.

Реки. Пресные поверхностные воды очень важны дня человека, поскольку они являются единственным надежным источником пить­евой воды. Сравнение состава вод двадцати крупнейших рек Земли дает представление о среднем глобальном химическом составе речных вод. Такое сравнение позволяет выделить три особенности:

1. в растворенном состояниив химическом составе пресной во­ды преобладают четыре металла, присутствующие в виде простых катионов (Са^2-, Na⁺, К⁺ и Mg²⁺);

2. общая концентрация ионов в воде низка;

3. Ионный состав растворенных веществ в пресной воде прин­ципиально отличается от состава континентальной коры несмотря на то, что все катионы в речной воде, за исключением некоторого коли­чества натрия и хлора, являются результатом процессов выветривания коры.

Масса переносимых рекой на протяжении года твердых частиц называется твердым стоком, а масса растворенных веществ — ионным стоком. В горных реках твердый сток преобладает над стоком раство­ренных веществ, а в равнинных реках масса переносимых растворен­ных веществ больше массы твердого стока. Общая масса твердых час­тиц, выносимых всеми реками мира в Мировой океан, около 20 млрд. т в год, растворимых соединений - около 4 млрд. т.

Ионный состав растворенных веществ речной воды и состав земной коры, по которой протекает река, сильно различаются. Разли­чие между составом коры и растворенных веществ речной воды осо­бенно заметно для алюминия и железа по сравнению с другими ме­таллами. Такое различие является результатом характера взаимодей­ствия ионов металлов с водой. Ионные соединения хорошо раство­римы в полярных растворителях типа воды. Однако, находясь в растворе, различные ионы вступают в реакции с водой по-разному. Ио­ны с низким зарядом ( +1, +2, -1, -2) обычно растворяются в виде простых катионов или анионов. Такие ионы слабо взаимодействуют с водой, за исключением того, что каждый из них окружен ее молеку­лами. Ионы меньшего размера с более высоким зарядом вступают в реакции с водой, притягивая ОН^-, и образуют незаряженные и нерас­творимые гидроксиды, высвобождая в ходе реакции ионы водорода, т. е.

Fe³⁺(водн) + ЗН₂О(ж) → Fе(ОН)з(тв) + ЗН⁺(водн) (3.6)

Кроме того, небольшие и более высокозаряженные ионы взаи­модействуют с водой с образованием относительно больших и ус­тойчивых ионов (так называемых оксианионов), например, SО₄^2-, легко растворяющихся вследствие того, что заряд распределен по большому периметру иона. Другими важными оксианионами явля­ются нитрат (no₃^-) и карбонат (СО₃^2-).

Общий характер растворимости элементов можно объяснить с точки зрения отношения заряда и ионных радиусов z/r. Ионы с низ­кими значениями z/r высокорастворимы (натрий, калий, магний, кальций), образуют в растворе простые ионы, и ими обогащена фаза раствора речной воды по сравнению с фазой взвеси. Ионы со сред­ними значениями z/r (медь, никель, кобальт, алюминий) относитель­но нерастворимы. Ионы с большими значениями z/r образуют ком­плексные оксианионы (фосфаты, карбонаты) и снова становятся рас­творимыми.