ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СОСТОЯНИЯ ВОД
В процессах переноса природными водами отдельных элементов и солей и осаждения их с образованием вторичных скоплений существенную, а иногда и решающую роль играют физико-химические условия природной среды.
К этим условиям, характеризующим состояние природных вод, относятся следующие показатели:
· показатель активности водородных ионнов - рН
· окислительно-восстановительный потенциал – Еh.
Эти показатели характеризуют именно состояние вод, т.к. они определяют возможность присутствия в них различных элементов и формы их нахождения.
Ионы водорода и гидроксильные ионы (рН)
Небольшая часть молекул воды диссоциирована на водородные и гидроксильные ионы. В химически чистой воде молярные концентрации этих ионов равны и составляют при 25° С 10-7 моль/л. Таким образом, величина произведения обеих концентраций равна 10-14. Это произведение сохраняет постоянную величину и в присутствии веществ, при диссоциации которых образуются водородные и гидроксильные ионы. Поэтому вполне достаточно определить концентрацию одного из них. Практически определяют концентрацию водородных ионов.
Поскольку концентрация водородных ионов может иметь самую различную величину и различаться на несколько порядков, принято выражать ее величиной рН, представляющей собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком:
[Н+] = 10-рН РН = -lg [H+]
Определение концентрации водородных ионов осуществляется в интервале от 1 до 10-14 моль/л, что соответствует величине рН от 0 до 14. Величина рН 7 отвечает нейтральному состоянию раствора, меньшие ее значения — кислотному, а более высокие — щелочному.
Величина рН является важным показателем кислотности или щелочности воды и служит также вспомогательной величиной в различных аналитических расчетах.
В природных водах величина рН является мерой активной кислотности воды, создавшейся в результате взаимодействия растворенных электролитов и газов.
Абсолютное содержание протонов в природных водах по сравнению с другими ионами ничтожно мало (рН 5 – 9), однако роль их в природных растворах чрезвычайно велика. Она обусловлена участием протонов во многих равновесных системах, что позволяет по величине рН рассчитать концентрации других компонентов. Определение величины рН в практике исследования природных вод позволяет судить:
1. о формах нахождения в природных водах слабых кислот: угольной, кремневой, сероводородной, борной;
2. о насыщенности воды слабыми основаниями, т.е. о максимальном содержании ионов металлов, соли которых в водной среде склонны к гидролизу, например, Fe2+, Fe3+, Mg2+ и др.;
3. о правильности выполнения некоторых аналитических определений.
Ион водорода всегда присутствует в природной воде, т.к. он возникает при диссоциации самой воды. Однако концентрация ионов водорода зависит еще от диссоциации и гидролиза других соединений.
· Главная роль в формировании рН природных вод принадлежит соотношению концентраций угольной кислоты и ее ионов.
· Другим источником протонов в природных водах являются гумусовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, перегное лесной подстилки и особенно в болотных водах.
· Третий источник – гидролиз солей тяжелых металлов – имеет значение лишь в специфических условиях, при которых в воду поступает значительное количество сульфатов железа, алюминия, меди. Этот источник протонов наиболее характерен дл вод шахт и рудниковю
Величину рН чаще всего определяют электрометрическим методом, измеряя потенциал, возникающий на измерительном электроде. В результате происходящих в воде реакций рН часто может изменяться, поэтому рекомендуется проводить определение немедленно после отбора пробы.
От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.
Окислительно-восстановительный потенциал (Еh)
Одним из важных факторов, определяющих физико-химические условия среды, является ее окислительно-восстановительное состояние, которое обусловлено наличием в природных водах соединений с переменной валентностью и, в первую очередь, растворенного кислорода и органических восстановителей.
Основными процессами, формирующими окислительно-восстановительные условия в природных водах, являются фотосинтез и бактериальное разложение органических веществ.
Количественно окислительно-восстановительное состояние характеризуется величиной окислительно-восстановительного потенциала Еh. Значения окислительно-восстановительных потенциалов выражают в вольтах (милливольтах). В природной воде значение Eh колеблется от - 400 до + 700 мВ.
Роль окислительно-восстановительных условий и величины Еh:
1. Величина Eh позволяет судить о состоянии каждой окислительно-восстановительной системы в природной воде, о преобладании окисленной или восстановленной формы. Вещества, находящиеся в разных формах валентности, обладают разными физико-химическими свойствами, а следовательно и разной миграционной способностью.
Так, большинство соединений железа(II) хорошо растворимо в воде, а соли железа(III) легко гидролизуются и выпадают в осадок в виде основных солей и гидроокиси. Поэтому среда, в которой существует железо(II) благоприятствует миграции железа.
Уран, наоборот, более подвижен в окисленной форме U(VI), а соединения U(IV) легко гидролизуются при рН>6, давая труднорастворимые U(OH)4 и UO2. Поэтому для миграции урана благоприятна среда, способствующая устойчивости окисленных форм.
2. Окислительно-восстановительные условия влияют на качество воды. Обычно поверхностные воды насыщены кислородом и представляют собой окислительную среду, где углерод присутствует в виде СО2, азот – в виде NO3-, сера – в виде SO42-, железо – в виде Fe(OH)3. Если Eh падает, водоем становится анаэобным, то преобладают элементы в восстановленной форме: NH4+ для азота, H2S – для серы, Fe2+ - для железа. Поскольку окисленные и восстановленные формы одного элемента могут существенно различаться по биологическим и экологическим свойствам (например, окисление NH4+ в NO3- существенно влияет на режим питания растений), то такие изменения оказывают существенное влияние на качество воды.
3. Eh влияет на процессы самоочищения водоема, характеризует направление процесса минерализации органических веществ. Наиболее эффективно процесс бактериального окисления протекает в окислительной обстановке, т.е. при высоких Eh. При падении Eh, сопровождающем уменьшение содержания растворенного кислорода, бактериальное окисление продолжается за счет восстановления азота нитратов (до N2) и сульфатов (до H2S). И, наконец, в наиболее восстановительных условиях протекает ферментация органических веществ с образованием метана: Сорг. + 2Н2О → CO2 + CH4