Химия гидросферы

Особенности гидросферы определяются особенностями воды: ее физические свойства обусловлены химическим строением.

Вода H 2O на 99,73 % состоит из 1H 2 16O, но в природе встречается еще дейтерий (стабилен) 2D и тритий ( 3T, –β), а если принять во внимание, что кроме 16O есть еще 17O и 18O, то в природе встречается девять разновидностей воды.

Жидкая вода имеет максимальную плотность при 4 °С (принята за единицу), а переход в твердое состояние, сопровождающийся изменением упаковки молекул, понижает плотность до 0,9. Это обстоятельство (лед плавает) и малая теплопроводность льда во многом способствуют стабилизации процессов в гидросфере.

Рисунок 10.6.

Большую часть Земли покрывает вода.

Все свойства воды обусловлены наличием двух неподеленных электронных пар у атома кислорода, атомные орбитали которого гибридизированы по sp 3-типу, и способностью атомов водорода соседних молекул образовывать с этими неподеленными электронными парами достаточно прочные водородные связи. В результате как жидкая, так и кристаллическая вода (лед) оказываются хорошо структурированными, хотя число локальных нарушений дальнего порядка при плавлении возрастает.

Экспериментально установлено, что протон в воде может быть только гидратированным. Гидратация не исчерпывается реакцией H + + H 2O = H 3O +. Последовательно может присоединиться несколько молекул воды:

Исходя из постоянства произведения ионов H + и OH –, образующихся при диссоциации H 2O = H + + OH –, важнейшим критерием поддержания жизнеспособности условий в воде и почве является узкий интервал изменений водородного показателя (pH) в пределах 6–9. В природной воде прежде всего растворяются газы атмосферы: O 2, N 2 (рис. 10.7) и CO 2.

Рисунок 10.7.

Растворимость N 2 и O 2 воздуха и чистых азота и кислорода при атмосферном давлении.

Хотя растворимость кислорода в два раза больше растворимости азота, но из-за большего парциального давления (78 %) в природной (дождевой) воде азота растворено в два раза больше, чем кислорода. Минерализация воды приводит к уменьшению растворимости воздуха. Так, при 0 °С растворимость кислорода (чистого) составляет 49 мл/л, а морской воде только 15 мл/л. Необходимое для окисления растворимых в воде веществ количество кислорода называется биохимической потребностью в кислороде (БПК).

Так, чистая вода, вытекающая из-под ледников, имеет БПК < 1 млн –1, пригодная для питья – < 5 млн –1, а канализационная – 100–500 млн –1.

Большую проблему создают попадающие в водоемы нитраты и фосфаты, поскольку они при неумелом использовании вызывают заболевание малопроточных водоемов и прудов.

Растворение CO 2 в воде сопровождается химическим взаимодействием с установлением равновесия:

K 1  = 4,5 · 10 –7, K 2 = 5,6 · 10 –11.

Обычные методы измерения констант диссоциации не позволяют отличить растворенный CO 2 от H 2CO 3 в растворе. Так как равновесие устанавливается быстро, то за контанту равновесия этой реакции K равн = [H 2CO 3] / [CO 2]∙[H 2O] обычно принимают первую константу диссоциации угольной кислоты (K 1 = 4,5 · 10 –7). Вместе с тем найдено, что H 2CO 3 / CO 2 = 0,0037; это означает, что только 0,37 % растворенного CO 2 находится в виде H 2CO 3. Если бы весь растворенный CO 2 находился в виде H 2CO 3, то K 1 = 1,8 · 10 –4, что позволяет отнести H 2CO 3 к умеренно сильным кислотам. Практически из-за быстрого установления равновесия гидратации CO 2 приходится пользоваться не действительной константой диссоциации K 1 = 1,8 · 10 –4, а кажущейся K 1 = [H +]∙[H 2CO 3] / CO 2 = 4,5 ∙ 10 –7, относящейся к реакции CO 2 ∙ H 2O = H + + HCO 3 –.

Другим источником поступления карбонат- и бикарбонат-ионов являются карбонаты:

Равновесие, устанавливающееся между H 2CO 3 и бикарбонат-ионом, определяет буферную емкость природных вод, что очень важно для поддержания постоянства в них pH.

PH почвенных вод может колебаться от 3 до 10. Однако кислотность почв, благоприятных для произрастания растений, мало отличаются от pH = 6. Морские организмы еще более чувствительны к pH среды обитания. Океаническая вода имеет pH = 8, а pH прибрежных вод ≈ 9. При pH < 7,5 многие морские организмы погибают. При pH < 7,0 морские организмы уже не в состоянии образовывать карбонатные скелеты.

Следует отметить, что произведение растворимости CaCO 3 в морской воде при 20 °С более чем в 100 раз превышает таковое в пресной воде из-за влияния других ионов. А произведение концентраций [ ]∙[] на глубинах до 1 км превышает что предопределяет способность некоторых морских организмов извлекать растворенный для построения раковин и скелетных тканей.

С глубиной концентрация Ca 2+ снижается, что способствует растворению CaCO 3, составляющего основу раковин и скелетных тканей отмерших организмов.

Кроме и морская вода содержит катионы , , , , и анионы , , , определяющие ее соленость (S). За величину солености принят вес сухого остатка после упаривания 1 кг морской воды и перевода карбонатов в оксиды, бромидов, иодидов в хлориды, а органические вещества сожжены при 480 °C. Соленость измеряется в г/кг или промилле (‰).

Рисунок 10.8.

Атлантический океан.

Мировой океан содержит до 10 17 тонн минерального сырья, включая серебро (5∙10 10 т), золото (1,1∙10 7т).

Фитопланктон мирового океана продуцирует почти столько же кислорода, что и все зеленые растения суши.

Промышленные выбросы, попадая в воду, влияют не только на pH, но и на содержание анионов и растворимость газов, приводя иногда к гибели основных видов флоры и фауны в нем. Наиболее опасными загрязнителями являются стронций, кадмий, свинец и особенно ртуть. Последняя может переходить в диметил-ртуть, которая, попадая с пищей (рыбой), воздействует на центральную нервную систему, вызывая психические и другие расстройства (болезнь Минимата).

Минералогический состав пресной воды определяет ее жесткость (устранимую и постоянную), что требует специальной обработки перед использованием в нагревательных системах для предотвращения образования накипи.

Наилучшим решением промышленного водоснабжения является организация замкнутых водооборотных систем, полностью исключающих сброс в водоемы сточных вод.