Состав природных вод

Состав океанической воды. Химический состав морской и океанической воды практически постоянный. Морскую и океаническую воду часто называют соленой. Под солёностью понимают массу в граммах морских солей в 1 кг. морской воды. Солёность мирового океана 33-37 гр/кг.Постоянство состава воды в Мировом океане свидетельствует о равновесии между процессами поступления и удаления воды. В океаны постоянно втекает речная вода с совершенно другим минералогическим составом. В морской воде поступающие с речным стоком вещества включаются в биологический цикл или удаляются в процессах осаждения. Важным компонентом океанической буферной системы является растворенный в воде диоксид углерода. Растворимость СО₂ в океанической воде намного выше чем в пресной. Атмосферный СО₂ находится в равновесии с СО₂, растворенным в океане. Равновесие между атмосферным СО₂ и СО₂ в слое океанической воды глубиной 100м устанавливается в среднем за 2 года. Поскольку океаническая вода представляет собой слабоосновной раствор (рН = 7 – 8,5), большая часть растворенного в ней СО₂ находится в форме НСО₃^- и СО₃^2-. Вследствие этого в соответствии с принципом Ле Шателье равновесие тоже будет смещено. Одним из наиболее важных процессов, протекающих в океанической воде с участием растворенного в ней СО₂, является образование твердого СаСО₃. Равновесие растворения СаСО₃ смещено в сторону большей растворимости в океанической воде в результате влияния солевого эффекта. На глубинах не превышающих 1км, океан перенасыщен СаСО_3. На больших глубинах, где концентрация Са²⁺ снижается, океаническая вода оказывается недонасыщенной по отношению к СаСО₃.

Состав пресной воды. Хим.состав и концентрация солей в поверхностных водах определяется климатической зоной. Соленость атмосферных вод не превышает 50 мг/дм3.

Пресная вода не является идеально чистой. В ней содержать: растворенные газы, главным образом 0₂, N₂, и С0₂; катионы, преимущественно Nа⁺, K+, Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺; анионы, преимущественно Сl^-, S0₄ ^2- и НС0₃^-: взвешенные частицы твердых веществ, в основном глины.

Важным показателем качества поверхностных вод является содержание в них растворенного кислорода. В водных системах растворенный кислород распределен в зависимости от различных факторов: температуры и солености воды, биологической активности водных организмов.

Когда поглощение кислорода превышает его пополнение, создаются условия, при которых водная система истощается, и в ней возникают особые «бескислородные» условия. Помимо возникающих проблем дыхания биологических объектов эти условия приводят к нежелательным хим. изменениям

Распределение веществ в поверхностных водах зависит от многих локальных условий: от скорости и характера движения воды, осадков наносов, физико-химических свойств загрязняющих веществ, от их устойчивости в воде и т.д. Обычно считают, что между ними устанавливается динамическое равновесие.

Если вещества проходят через фильтр с размерами пор 0,45 мкм то они могут рассматриваться как истинные растворы. Вещества, остающиеся на поверхности такого фильтра, относятся к дисперсным системам. Химическое равновесие в водных системах достигается только для тех реакций, которые являются быстрыми в геологическом и биологическом масштабах времени, поэтому правильнее рассматривать водные системы не как равновесные, а как дисперсные, находящиеся в стабильном состоянии.

Если условно рассечь водную массу вертикальной плоскостью, то можно выделить места повышенной реакционной способности: поверхностную пленку, основную водную массу, донный осадок.

Поверхностная пленка и донный осадок являются зонами концентри­рования загрязняющих воду веществ.

Распределение газов. Все газы, содержащиеся в атмосфере, частично присутствуют в растворенном состоянии в гидросфере. Между атмосферой и поверхностным слоем воды через поверхностную плёнку осуществляется газообмен, причем, благодаря диффузии и перемешиванию, газы равномерно распределяются в объеме воды. Процессы фотосинтеза и дыхания организмов также сопровождаются образованием поглощением кислорода и диоксида углерода.

При нормальных условиях поверхностный слой воды насыщен газом в соответствии с его содержанием в атмосфере и давлением, и незагрязненная вода содержит максимально допустимое количество газа определяемое законом Генри:

N = К ∙р,

где N – мольная доля газа в воде; р – парциальное давление газа в атмосфере, Па; К – константа.

При равновесных условиях парциальное давление газа в растворе равно парциальному давлению газа в атмосфере, и переход газа из одной фазы в другую происходит с одинаковой скоростью. Скорость переноса газа зависит от толщины поверхностной пленки молекулярной диффузии газа через пленку.

Растворимость газов зависит от ионной силы раствора, которая в природных системах часто определяется концентрацией солей. При увеличении температуры растворимость газов уменьшается.

Основную роль в природных водных системах из газовых компонентов играют кислород и диоксид углерода.

Кислород. Содержание молекулярного кислорода в гидросфере колеблется в пределах 6–12 см³/дм³. В незагрязненных системах холодной воды наблюдается повышенная растворимость кислорода осенью и зимой. Она компенсируется активностью фотосинтеза и меньшей paстворимостью кислорода в более теплей воде весной и летом. Таким образом, вследствие этого степень насыщения природных вод кислородом (α) остается примерно на постоянном уровне и определяется соотношением, %:

α = СО₂/(СО₂∙р)∙100%

где СО₂ – измеренная концентрация кислорода в воде; CО₂, P – равновесная концентрация кислорода в воде при одинаковых температуре и солёности.

Насыщение кислородом поверхностного слоя воды обычно составляет 97 – 105 %. По мере увеличения глубины слоя воды эта величина уменьшается. Содержание кислорода в поверхностном слое воды зависит от скорости обмена газом между водой и воздухом. На большой глубине, где отсутствует контакт с атмосферой, этот обмен зависит от расхода кислорода на биологические процессы и пополнения его запасов при смешивании с водой, более богатой кислородом.

Диоксид углерода. Система диоксид углерода – карбонат является из наиболее сложных и важных для гидросферы. Она участвует в обмене между газообразными компонентами атмосферного воздуха и поверхностных слоев воды, влияет на химию водной системы, на биологическую структуру организмов, отложение осадка, содержащего углерод. От этой системы зависит рН среды, что непосредственно влияет на некоторые химические равновесия в данной локальной системе, особенно в отношении ионов, образующих комплексы. Система диоксид углерода – карбонат непосредственно влияет на весь биологический цикл организмов.

Распределение С0₂ в водных слоях неравномерно. В поверхностных слоях воды содержание С0₂ является функцией характеристики поверхностной пленки, парциального давления и содержания его в атмосфере. Диоксид углерода играет основную роль в процессе фотосинтеза, и его концентрация коррелирует с освещенностью и биологической активностью.

Распределение питательных веществ. Подобно растениям, обитающим на суше, развитие растений гидросферы (фитопланктона) может быть стимулировано дополнительными питательными веществами, вносимыми в виде азот- и фосфорсодержащих удобрений. Наиболее усваиваемыми питательными веществами являются нитрат-ион NO₃^- и фосфат-ион НР0₄^2-. При наличии избыточных концентраций одного или обоих этих веществ рост фитопланктона усиливается, что увеличивает потребность в микроэлементах (ионах меди, железа, марганца, кобальта, цинка). В этих условиях первыми истощаются запасы микроэлементов, следствием чего может оказаться снижение роста организмов. Если все питательные вещества имеются в достаточных количествах и cоздаются условия к поддержанию максимальной скорости роста организмов, резко возрастает расход кислорода на разложение водорослей и в водных системах создаются бескислородные условия. Это явление называется эвтрофикацией.

Элементы, в которых нуждаются все организмы гидросферы, называются неспецифическими. К ним относятся азот, требующийся для синтеза аминокислот, фосфор и сера, необходимые для вырабатывания протеина. Другие элементы называются специфическими. К ним относятся в основном металлы. Организмы поглощают и концентрируют ионы металлов избирательно. Например, ионы меди поглощаются устрицами, ионы магния - фотосинтезирующими растениями, так как магний является основным компонентом хлорофилла.

Азот. Содержание азота в гидросфере во всех химических формах составляет примерно 5*10 ^-5 моль/дм3.

Большинство организмов усваивает азот лишь после фиксации в биологической системе. В гидросфере такой системой являются синезеленые водоросли. При этом происходит образование аммиака:

N ₂ → 2N (фиксация)

2N + 3H₂ → 2NH₃

В воде аммиак существует в аммониевой форме.

Первоначально круговорот азота был относительно стабильным и содержание азотсодержащих соединений было в таких количествах, с помощью денитрификации в круговорот возвращался весь фиксированный азот. Вследствие возросшего применения удобрений и увели­чения объема производств, дающих азотсодержащие отходы, стабильность, существовавшая в Природе, нарушена и становится реальным создание условий, представляющих опасность для окружающей человека среды.

Деятельность азотобактеров подавляется при избытке нитратов, цианатов, ионов тяжелых металлов и других химических веществ. При | чрезмерном загрязнении воды количество нитрозо-бактерий становится сверхизбыточным по сравнению с азотобактерами. Вследствие этого в придонных слоях воды повышается содержание токсичных для многих водных организмов нитрит-ионов.

При нарушении последовательности реакций конечные результаты могут вызвать изменения в круговороте азота и иметь глобальные последствия. В связи с этим, прежде чем осуществлять сброс больших количеств азотсодержащих отходов в водную систему, необходимо провести сравнительную характеристику скорости процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации.

Фосфор. Круговорот фосфора ограничен лишь литосферой и гидросферой, поэтому его циркуляция зависит от запасов фосфора в горных породах и донных осадках. Водная система представляет собой конечный пункт его одностороннего движения из земной поверхности в придонные осадки.

В круговороте фосфора в гидросфере определяющую роль играют микробиологические процессы. Неорганический фосфат первоначально преобразуется в биоте в форму аденозиктрифосфата (АТФ, средняя соль) и аденозиндифосфата (АДФ, кислая соль), которые являются источниками энергии, получаемой в процессе этих и всех других биохимических превращений в организме. Например, протеин, хотя и не содержит фосфора, не может быть без него получен. Сахароза может быть получена в процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды однако ее последующие превращения контролируются фосфатами.

В конце жизненного цикла организма фосфор в виде неорганического фосфата возвращается в систему, замыкая круговорот и при соответствующих условиях вновь стимулируя биологическую активность.

Естественные формы фосфора в гидросфере зависят от рН:

рН, характерном для водных систем, преобладает форма НР0₄

В любой естественной водной системе неорганические и органические формы фосфора могут находиться в растворе или во взвешенном состоянии. Поскольку фосфор является единственным неспецифическим питательным элементом, чей круговорот не охватывает всю биосферу, его выпадение в осадок становится важным и определяющим фактором. Скорость осаждения и количество осадка зависят от его состава, состава донных осадков, от содержания фосфатов в воде, солености и других факторов.

Донные осадки, не содержащие извести, поглощают и удерживают больше фосфора, чем известковые озерные осадки

Буферная емкость донных осадков по отношению к фосфатам ограничена и по мере ее достижения избыточное содержание фосфатов остается в водной массе.

Способность придонных осадков поглощать добавочный фосфор снижается по мере увеличения его концентрации.

Дата добавления: 2015-07-14