Главные компоненты природных вод

Главными компонентами мы будем называть те компоненты природных вод, которые определяют основные химические процессы в них26. К главным компонентам относят главные ионы (то есть ионы, присутствующие в воде в наибольших концентрациях), они же макрокомпоненты. Также к главным компонентами мы будем относить вещества, концентрация которых невелика, но поддерживается более или менее постоянной за счет обмена с атмосферой (СО₂, О₃) или подстилающими породами. Кроме того, к главным компонентам мы будем относить кинетически устойчивые продукты разложения органических остатков — гумусовые кислоты, а также серусодержащие соединения.

Главные ионы

Основную массу растворенных веществ составляют четыре катиона (Са²⁺, Mg²⁺, Na^+, К⁺) и три аниона (НСО^{3 –}, Сl^– и SO₄^{2 –}). Эти семь ионов еще называют главными ионами, а сумму катионов Са²⁺ и Mg²⁺— общей жесткостью.

Гидрокарбонаты и жесткость.Как правило, в пресных водоемах больше всего ионов кальция, магния и гидрокарбонатов. Основной их источник — выщелачивание горных пород раствором углекислого газа в природной воде. В первую очередь выщелачиваются карбонатные породы — известняки и доломиты:

(Ca,Mg)CO₃ + Н₂0 + СО₂ –> (Ca,Mg)²⁺ + НС0₃^–

Существенно хуже выщелачиваются полевые шпаты (компоненты изверженных горных пород):

CaSi₂Al₂O₈ + 2Н₂О + 2СО₂ = Са²⁺ + 2НСО₃^– + 2HAlSiO₄.

Анортит каолинит

Могут выщелачиваться и другие горные породы, но основной источник кальция и магния — известняки и доломиты. Кроме того, около 7% магния попадает в водоемы с дождевой водой, куда эти ионы, в свою очередь, выносятся ветром с поверхности океана.

Поскольку магний выщелачивается хуже кальция (в первую очередь это относится к карбонатным породам), его молярная концентрация в пресной воде обычно в 4 –5 раз меньше молярной концентрации кальция.

При концентрировании воды гидрокарбонаты реагируют с ионами кальция и магния, поэтому в океанах или бессточных озерах с соленой водой гидрокарбонатов и кальция достаточно мало.

В основном, именно гидрокарбонат –ионы определяют рН природных вод и нейтрализуют попадающие в водоем кислоты (в первую очередь, серную). В гидрокарбонат –ионах в природных водах сосредоточены основные запасы углекислого газа, необходимого растениям для фотосинтеза. Ионы кальция необходимы многим организмам для построения скелета и осуществления мышечных сокращений. Ионы магния используются водной растительностью для построения фотосинтетического аппарата. Из пресных вод организмы поглощают лишь небольшую долю кальция и магния, а из морских вод кальций (вместе с гидрокарбонатами) поглощается достаточно активно, поскольку многие организмы строят из карбоната кальция свой внешний скелет (раковины и т.п.).

Хлориды. Основной источник хлоридов в пресных водах — атмосферные осадки, в которые хлориды попадают с капельками морской воды, уносящимися ветром во время штормов. В среднем 64% всех хлоридов, находящихся в пресных водоемах России, попали туда с атмосферными осадками.

Еще 29% хлоридов попадает в водоемы в результате деятельности человека. Дело в том, что хлориды в достаточно высокой концентрации (0,1 –0,2 М) содержатся в моче человека и животных. Эта концентрации примерно в 1000 раз превышает концентрацию хлоридов в дождевой воде. Кроме того, человек использует поваренную соль, добываемую из морской воды или подземных залежей, для различных технических целей (от посыпания дорог зимой до мытья посуды). Эта соль смывается в канализацию и рано или поздно оказывается в реках. Особенно велик сброс хлоридов в реки, протекающие в крупных городах. Так, в Москве –реке выше города концентрация хлоридов колеблется в диапазоне 0,3 –0,6 мМ, а ниже — 1,2 –3,1 мМ.

Третий, наименее мощный источник хлоридов в пресных водоемах – растворение подземных отложений солей. Этим путем хлориды попадают в реки Каму, Лену и некоторые другие водоемы. Из воды хлориды практически не выводятся, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

Натрий. У натрия существует несколько примерно равнозначных по мощности источников. В первую очередь, как и в случае хлора, натрий привносится с атмосферными осадками (37%). Однако, в отличие от хлора, большое значение имеют также выщелачивание различных минералов — пироксенов, амфиболов, слюд, полевых шпатов (35%) и вымывание атмосферной пыли (29%). Оставшиеся 26% попадают в водоемы Европейской части России в результате деятельности человека. Попав в природную воду, натрий из нее практически не выводится, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

Калий. Несмотря на то, что химически натрий весьма сходен с калием, их источники в гидросфере сильно различаются. Во –первых, калий гораздо хуже выщелачивается из горных пород, а во–вторых, активно поглощается биосферой (в первую очередь, растительностью).

В пресных водоемах массовая концентрация калия в среднем в 4 раза меньше, чем концентрация натрия. В океанских водах — в 28 раз.

70% калия попадает в водоемы с атмосферной пылью (в основном он содержится в золе сгоревших деревьев и частицах почвы). 23% — за счет выщелачивания горных пород и только 2% — за счет деятельности человека (в основном, это сток калийных удобрений). Доля калия, принесенного из океанов, также невелика — около 5%.

Попав в воду, калий активно поглощается живыми организмами. Кроме того, обладая гораздо большим сродством к силикатным породам, чем натрий, калий сильнее сорбируется на взвешенных частицах силикатных минералов (в первую очередь, глинах).

Сульфаты. Сульфаты попадают в водоемы в первую очередь из атмосферы. Серусодержащие вещества, попадающие в атмосферу как результат жизнедеятельности организмов, а также разложения или горения их остатков, довольно быстро окисляются до серной кислоты, которая и проливается с дождями, реагируя впоследствии с горными породами. Человек также выбрасывает в атмосферу серусодержащие соединения (в первую очередь S0₂), поэтому вокруг крупных городов и промышленных центров содержание сульфатов в осадках и водоемах повышено.

С атмосферными осадками в пресные воды попадает 63% сульфатов, причем 20% — прямой результат деятельности человека, 3% приносится с океанов ветром, а остальные 40% — следствие естественных процессов на суше. Континентальный сток сульфатов формируется за счет разложения органических остатков непосредственно в водоемах (в первую очередь, в торфяных болотах), окисления сульфидов (в первую очередь отложений пирита FeS2 и сульфида железа FeS, образовавшегося в зоне контакта железосодержащих вод с сероводородом) и растворения подземных залежей гипса CaSO₄.

Сульфаты частично поглощаются живыми организмами. Они восстанавливают серу до степени окисления –2 и встраивают ее в структуру белков. При концентрировании вод, содержащих сульфаты и ионы кальция, выпадает сульфат кальция:

Са²⁺ + SO₄^{2 –} = CaSO₄

что способствует выведению сульфатов в донные отложения. Сульфаты также могут восстановиться в донных отложениях до сульфидов или сероводорода.