Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 7 )

Розчинення твердої речовини у воді супроводжується її активацією, тобто сильним подрібненням аж до молекулярного рівня.

Складні структури твердого тіла не тільки часто зберігаються в розчині, але і ускладнюються.

Добре відомо, що іони CO3- , NO3- , SO4-, комплексні катіони типу [Co(NH3)6]3+ твердих солей і т. п. переходять в розчин без змін.

Таким чином, системи на основі розчинів є наступним важливим ступенем еволюції матерії, що поєднує у собі активність з досить розвинутою речовинно-агрегатною структурою.

У результаті взаємодії води з геологічними породами, грунтами атмосферою, та з речовинами, що надходять з антропогенних джерел, утворюються процесно-функціональні структури гідрохімічних систем. Ці структури відомі як ряд речовинно-енергетичних підсистем природних вод, що регулюють їх хімічний склад та динамічну хімічну стабільність. Серед них – карбонатно-кальцієва, карбонатно-магнієва та інші важливі підсистеми.

Окрім цього, гідрохімічна система як цілісно-функціональна геосистема структурована в просторі. Вона має як горизонтальні так і вертикальні просторові структури.

Мінливість природних та антропогенних факторів формують мінливість параметрів та структури гідрохімічної системи. В той же час характерною рисою розвитку гідрохімічної системи є її стійкість, здатність до відновлення стану рівноваги, у якому система перебувала до моменту впливу.

Важливою функцією, яку виконує гідрохімічна система, є перенесення нею речовин та енергії у гідрохімічній системі.

Характеристиці цих властивостей та функцій гідрохімічної системи і присвячено даний розділ.

2.1.Речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи

Речовинно-агрегатну структуру гідрохімічної системи утворюють хімічні речовини, які у різних формах і агрегатних станах знаходяться у воді і забезпечують перебіг фізико-хімічних процесів як у самій воді так і речовинно-енергетичний обмін між водою та суміжними з нею середовищами.

Природні води контактують у процесі кругообігу з великою кількістю мінералів, газів, органічних речовин, речовин антропогенного походження. Усі ці речовини в тій чи іншій мірі, у той чи інший спосіб переходять до складу води. Тому природна вода на відміну від хімічно чистої води H2O є розчином різноманітних мінеральних та органічних речовин.

Вона містить у своєму складі усі відомі хімічні елементи у вигляді простих та складних іонів, комплексних сполук, розчинених та газоподібних молекул, стабільних та радіоактивних ізотопів. Ще В. І.Вернадський говорив, що в кожній краплі води, як у мікрокосмі, відбивається склад космосу [14 ]. В останні роки це положення підтверджується: з 87 стабільних хімічних елементів, відомих у земній корі, біля 80 знайдено в природних водах.

Головні хімічні елементи, що формують гідрохімічні системи та їх природні джерела представлені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

Головні хімічні елементи формування гідрохімічних систем та джерела їх надходження ( за П. О’Нейлом, 1998 [157])

Джерело надходження

Хімічні елементи

Атмосфера

N, O

Океан

O, H, Cl, Na, Mg, S

Осадові породи

O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na

Магматичні породи (граніти)

O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg

Магматичні породи (базальти)

O, Si, Al, Fe, Ca, Mg

Земна кора

O, Si, Mg, Fe,

Висока здатність води до розчинення різних хімічних речовин пояснюється особливістю фізичної будови молекули води, яка складається з двох атомів водню та одного атома кисню. Властивості води та широкий спектр їх прояву визначаються фізичною природою цих атомів та способом їх об’єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню та кисню розміщені так відносно один одного, що утворюють рівносторонній трикутник з відносно великим ядром кисню у його вершині та двома дрібними ядрами водню у основі.

У молекулі води є чотири полюси зарядів: два від’ємних за рахунок електронної щільності кисневих пар електронів та два додатніх – внаслідок дефіциту електронної щільності атомів водню - протонів. Така асиметричність розподілу електричних зарядів води фрмує полярні властивості молекули води, яка є диполем з високим дипольним моментом - 1,87 дебай.

Завдяки цьому молекули води стараються нейтралізувати електричне поле. Під впливом диполів води на поверхні занурених у неї речовин міжмолекулярні та міжатомні сили послаблюються у 80 разів. Таку високу діелектричну проникність із усіх відомих речовин має тільки у вода.

Молекули води зближаються протилежними зарядами, при цьому виникають міжмолекулярні водневі зв’язки між ядрами водню та неподіленими електронами кисню. Тетраедрична направленість водневої хмари сприяє утворенню чотирьох водневих зв’язків для кожної водної молекули, які в свою чергу завдяки цьому можуть асоціювати з чотирма сусідніми.

Водневі зв’язки в декілька разів слабші за ковалентні зв’язки між атомами кисню та водню. Мікромолекулярна структура води дозволяє приєднувати за рахунок розриву водневих зв’язків молекули, чи частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненю. Цим і пояснюється здатність води бути універсальним розчинником.

Розкладаючи молекули контактуючих з водою речовин на іони, сама вода проявляє високу стійкість. З 1 мільярда молекул води за умов нормальної температури дисоціюється тільки дві.

Вода хімічно не змінюється під впливом більшості тих сполук, які вона розчиняє, і не змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливо для живих організмів на нашій планеті, тому що поживні речовини, які потрібні їх організмам, надходять з водними розчинами в незмінному вигляді.

Мінеральні речовини, що знаходяться в природних водах у розчиненому стані в різних формах (іони, комплексні іони, недисоційовані сполуки, колоїди), умовно діляться на дві групи: макро - та мікрокомпоненти.

До макрокомпонентів належать речовини, які постійно присутні у природних водах усіх типів і мають концентрацію не менше 10 мг/дм3. Мікрокомпоненти - це речовини, що зустрічаються у природних водах лише в малих концентраціях (< 0,1 мг/дм3) .

Наявність цих двох груп речовин пов`язано з двома основними факторами: поширеністю елементів у земній корі та розчинністю їх сполук у звичайних умовах.

Саме ці речовини - компоненти хімічного складу води з їх специфічним характером форм знаходження та типами зв’язків і виступають системоутворюючою основою гідрохімічної системи.

Речовинно-агрегатну структуру гідрохімічної системи представляють такі компонентні групи (табл.2.2).

Властивості дисперсних систем залежать від розмірів розчинених у воді частинок речовини. Розмір цих частинок характеризується поперечним розміром частинки a або оберненою до нього величиною D = 1/a, яка зветься дисперсністю. Чим менший розмір частинки, тим більша її дисперсність. Якщо частинки речовини мають розмір менший, ніж 10-7 см, то хімічні речовини утворюють при розчиненні гомогенну систему, тобто систему, в середині якої немає поверхні розділу, що розділяє частини системи з різними властивостями.

Якщо розмір частинок перевищує 10-7 см, то це є передумовою для утворення гетерогенних систем.

У водних гомогенних системах, що називаються справжніми розчинами, частинки знаходяться в молекулярно-розчиненому стані, або в іонному стані.

В гетерогенних системах в залежності від міри подрібненості речовини утворюють або колоїдні розчини ( а = 10-7 - 10-5 см), або завислі речовини ( а > 10-5 см).

Завислі речовини діляться в свою чергу в залежності від агрегатного стану на суспензії та емульсії. Суспензії утворюються при дисперсії у воді твердих речовин, а емульсії – рідких і газоподібних.

Якщо розмір частинок перевищує 10-7 см, то це є передумовою для утворення гетерогенних систем.

У водних гомогенних системах, що називаються справжніми розчинами, частинки знаходяться в молекулярно-розчиненому стані, або в іонному стані.

Таблиця 2.2

Речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи [158-160]

Агрегатний стан

Справжній розчин

Колоїдна форма

Суспензія

Форма

Молекулярно-дисперсна

Колоїдно-дисперсна

Грубо-

дисперсна

Поперечний розмір частинки

в см

10-8 –10-6

10-7 –10-5

>10-5

Електроліти

Неелектроліти

Катіони

Аніони

Гази

Тверді речовини

Головні, або макро

компоненти,

> 10 мг/дм3

Na+

K+

Mg2+

Ca2+

Cl-

NO3-

HCO3-

SO42-

O2

CO2

N2

SiO2.xH2O

Глини

Дрібно-

дисперсні

піски

Органічні компоненти грунтів

Другорядні за вмістом компоненти

<<10 мг/дм3

Fe2+

Sr2+

Mn2+

NH4+

Al3+

F-

Br-

J-

NO2-

HPO42-

HBO2

H2S

NH3

CH4

He

Органічні сполуки

(продукти обміну речовин у живих організмах)

Гідрооксиди металів(наприк - лад Fe, Mn ), кремнієві кис- лоти та силікат-ти, гумінові кислоти

Гідрооксиди

Fe і Mn,

нафто-

продукти, жири,

специфічні органічні речовини

Мікрокомпоненти,

<0,1мг/дм3

Li+

Rb+

Ba2+

As(III)

Cu2+

Zn2+

Pb2+

та інші елементи

HS -

Rn

В гетерогенних системах в залежності від міри подрібненості речовини утворюють або колоїдні розчини ( а = 10-7 - 10-Завислі речовини діляться в свою чергу в залежності від агрегатного стану на суспензії та емульсії. Суспензії утворюються при дисперсії у воді твердих речовин, а емульсії – рідких і газоподібних.

Аналізуючи склад гідрохімічної системи, компоненти якої представлені в табл.. 2.2, слід зазначити, що у молекулярно-дисперсній формі знаходяться найдрібніші речовини з розміром часток а = 10-8 - 10-6 см. До них належать макроелементи, в першу чергу головні іони - Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, SO4- , HCO3-, NO3- а також розчинені гази: O2, CO2, N2. В іонно-молекулярній формі знаходяться у водному розчині також другорядні компоненти (Fe2+, Sr2+, Mn2+, NH4+, Al3+, J-, F-, Br-, NO2-, HPO42-, HBO2) та мікрокомпоненти (Li+, Rb+, Ba2+, As(III) , Cu2+, Zn2+, Pb2+ та інші.

Ці речовини утворюються переважно в результаті дисоціації у воді солей кислот та лугів. Це речовини з іонним та сильним полярним зв’язком , які в результаті характерної полярної будови молекул води розпадаються на іони.

До цієї ж групи відносяться також розчинені у воді гази, органічні сполуки біологічного походження ( продукти обміну речовин) та ті, які надходять зі скидними водами. Органічні речовини молекулярного ступеня дисперсності являють собою неелектроліти, або слабкі електроліти. Це феноли та їх похідні, ароматичні аміни, нітросполуки тощо.