Неметаллы в природных водах

Неметаллы можно разделить на те, для которых в природных водах возможна только одна степень окисления, и те, для которых возможно несколько. К первым относится фтор, бром, фосфор, кремний, бор и рассмотренный выше хлор, ко вторым — азот, иод и рассмотренная выше сера, а также мышьяк, селен и теллур.

Фтор. Источник фтора выщелачивание фторсодержащих минералов, в первую очередь фторапатита Са₅F(РО₄)з:

Ca₅F(PO₄)₃ + 6Н₂О + 6СО₂ = 5Са²⁺ + 6HCO^3– + ЗН₂РО₄^– + F,

а также дегазация магмы.

Фторид – ионы образуют прочные растворимые комплексные соединения с кремнием, например:

6F + SiO₂ + 2H₂O^– ó [SiF6]^2– + 4OH^–

Это равновесие и определяет основные формы существования фтора в природной воде: свободный ион и ион [SiF₆]^2–. Благодаря образованию прочных связей с кремнием, фториды могут обратимо сорбироваться на кремний – содержащих минералах. При этом систему SiO₂/[SiF₆]^2– можно считать буферной по фторид – иону (так называемым флуористатом).

Фториды могут образовывать нерастворимый CaF₂, однако из – за малых концентраций фтора в природной воде (в пресных водах она, как правило, не превышает 10^–4М), а также из –за того, что в большинстве вод F^– связан с кремнием, образование CaF₂ кинетически заторможено. Позвоночные животные (в том числе человек) поглощают фтор из питьевой воды, связывая его во фторапатит — компонент костной ткани и зубной эмали. Связывание фторидов в кости позвоночных животных — один из стоков этого элемента.

Фтор входит в состав зубной эмали, причем как избыток фтора, так и его недостаток приводят к ее разрушениюБром. Этот элемент присутствует в гидросфере в виде свободного иона Вг". Его поведение в окружающей среде аналогично поведению хлора, которому сопутствует бромид.

Фосфор. Естественные источники этого элемента в гидросфере – выщелачивание фторапатита, апатита Са₅(ОН)(РО₄)₃ и фосфорита Са₃(РО₄)2. После того, как человек научился производить фосфорные удобрения, используя в качестве источника фосфора залежи апатитов и фосфоритов, погребенные на больших глубинах, произошло резкое увеличение поступления фосфора в окружающую среду, в частности в гидросферу. Здесь фосфор присутствует в форме анионов фосфорной кислоты (Рис.), однако концентрации фосфатов в пресной воде редко превышают 10^–5 М, поскольку они легко поглощаются растительностью.

Основной сток фосфатов из гидросферы — их связывание в костях позвоночных животных в форме апатита, фторапатита или фосфорита. После гибели животных кости и раковины оседают в донные отложения. Фосфор также выводится в донные отложения вместе с тканями погибших животных, хотя фосфаты, содержащиеся в органическом веществе, существенно более подвижны, чем содержащиеся в апатитах.

Кремний. Основная форма существования кремния в гидросфере коллоидные растворы SiO₂, образующиеся при механическом разрушении пород, содержащих SiO₂. Коллоидные растворы устойчивы в кислых средах, при низких температурах, а также в присутствии гумусовых кислот. В нейтральных и основных средах (кроме ультраосновных с рН>10, где SiO₂ переходит в форму анионов кремниевых кислот), а также при повышении температуры или ионной силы воды коллоидные растворы распадаются, в результате чего оседает твердый SiO₂. Так образуются кремни, агаты и другие аморфные формы SiO₂. Из –за неустойчивости коллоидных растворов концентрация кремния в пресных водах редко превышает 10^–5М.

Бор. В отличие от кремния, основные формы существования бора – Н₃ВО₃ в кислых и нейтральных средах и В₄О₇^2– в основных. И та, и другая форма растворимы. Их источник – выщелачивание горных пород, сток – образование нерастворимых боратов кальция и магния (возможно только при достаточно высоких концентрациях бора). В пресных водах концентрация бора обычно не превышает 10^–6М, и нерастворимые бораты не образуются.

Азот. Присутствует в воде в основном в форме NH₄⁺/NH₃ и NO₃–. Естественные источники соединений азота в степени окисления – 3 — разложение органических веществ и гидролиз мочевины, естественный источник нитрата — деятельность нитрифицирующих бактерий. Кроме того, источником азота в воде могут быть минеральные удобрения, стекающие с полей.

Хотя по величине окислительно – восстановительного потенциала нитрат – ион может быть окислителем, а аммиак и ион аммония –– восстановителями, реально окислительно – восстановительные реакции с участием этих частиц заторможены и вне организмов не протекают. Поскольку все соединения азота быстро поглощаются растениями (причем аммиак существенно быстрее, чем нитрат – ион, так как организмам не нужно его восстанавливать), их суммарная концентрация в воде обычно не превышает 10^–5М. Концентрация NO^2– примерно в 10 раз меньше, чем N0^3–.

Иод. Иод — элемент, преимущественно концентри­рующийся в гидросфере. Его формы существования приве­дены на Рис. Небольшие количества иода необходимы всем организмам, поскольку иод входит в состав аминокислот иодтирозина и тироксина. Многие морские водоросли концентрируют иод из морской воды в сос­таве аминокислот, однако после их гибели иод высвобождается. В пресных водах концентрация иода крайне невелика — порядка 10^–7 — 10^–8 М.