Ионный состав природных вод

К числу главных ионов, содержащихся в природных водах, относятся ионы: которые образуют основную часть их минерального состава. Главные ионы определяют химический тип воды, иначе их называют макрокомпонентами. Микрокомпоненты содержатся в водах в гораздо меньших количествах и не определяют химического типа воды. Массовая концентрация главных ионов в весьма пресных водах выражается первыми единицами миллиграммов в литре, в рассолах же достигает несколько сотен промилле.

Хлоридные ионы обладают высокой миграционной способностью, то есть способностью к перемещению, определяемой физико–химическими константами данного иона и условиями среды, в которой происходит миграция. Они не образуют трудно растворимых минералов, не адсорбируются коллоидными системами, не накапливаются биогенным путем. Растворимость хлоридных солей натрия магния и кальция очень высокая. Вследствие указанных причин хлоридные ионы беспрепятственно мигрируют с водами. Они присутствуют во всех природных водах от следов до первых сотен грамм на литр рассола. В слабо - и умеренноминерализованных водах ионы хлора обычно находятся на третьем месте. С увеличением минерализации содержание их растет абсолютно и относительно. В водах повышенной минерализации ионы хлора по количественному содержанию занимают первое или второе место. Основным источником поступления иона хлора в природные воды являются:

- хлористые минералы (галит, сильвинит) из горных пород, почв (особенно солончаков) и скопления солей;

- атмосферные осадки;

- вулканические выбросы; - стоки промышленных предприятий и хозяйственно – бытовые отходы.

В природных водах анионы хлора чаще всего уравновешиваются с катионами натрия , реже и , в исключительных случаях

Сульфатные ионы также обладают хорошей подвижностью, но уступают в этом отношении хлоридным ионам. Коллоиды почв почти не задерживают их и только во влажных тропиках возможно адсорбирование этого иона положительно заряженными гидроксилами железа и алюминия. Содержание сульфат ионов в природных водах лимитируется присутствием в воде ионов кальция, которые образуют с сравнительно малорастворимый сульфат кальция. При невысоком же содержании кальция в минерализованных водах наблюдается концентрация сульфатных ионов, выражаемая десятками граммов на 1 литр воды. В отсутствии кислорода сульфатные ионы становятся неустойчивыми и восстанавливаются до сероводорода. Основная роль в этом процессе принадлежит сульфатредуцирующим бактериям, развивающими свою деятельность при наличии органического вещества. Схематически восстановление сульфатов изображают следующим образом:

Основным источником появления в воде сульфатов являются различные осадочные породы, в состав которых входят гипс и ангидрит.

Гидрокарбонатные и карбонатные ионы являются важнейшей составной частью химического состава природных вод. Оба эти иона, будучи производными, угольной кислоты, находятся в растворе в динамическом равновесии между самой угольной кислотой и составляющими ее ионами в определенных количественных соотношениях:

Изменение содержания одного из членов этого равновесия влечет за собой изменение другого. Эти ионы образуют карбонатную систему химического равновесия, имеющую большое значение в природных водах. Теоретически рассчитанные соотношения между компонентами карбонатного равновесия в зависимости от pH даны в таблице.

Таблица 4.2

Соотношения форм производных угольной кислоты в зависимости от pH воды (в молярных долях, %)

Форма	pH
	99,7	97,0	76,7	24,99	3,22	0,32	0,02	-
	0,3	3,0	23,3	74,98	96,70	95,84	71,43	20,0
	-	-	-	0,03	0,08	3,84	28,55	80,0

Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме кислых. Они, как правило, доминируют в водах низкой и довольно часто в водах умеренной минерализации. Накопление в воде ионов лимитируется присутствием кальция, образующего с гидрокарбонат ионами слаборастворимую соль. В природных водах при преобладании кальция не наблюдается большого содержания ионов . Обычно в реках и озерах оно не превышает 250 мг/л.

Считается общепризнанным, что источником гидрокарбонатов и карбонатов служат различные карбонатные породы – известняки, доломиты, мергели и др., карбонатный цемент многих осадочных пород. Растворение карбонатов кальция и магния происходит по следующим уравнениям:

Нередко источником появления в природных водах является воздух и микробиохимические процессы. По данным почвоведов, воздух кластической массы продуктов выветривания содержит до 1 % и более . Содержание углекислого газа на глубине шести метров от поверхности Земли может достигать 7 %. Столь высокие концентрации зачастую и обуславливают высокие содержания в подземных водах.

Ионы натрия по распространенности среди катионов стоят на первом месте. Натрий в своих соединениях проявляет степень окисления +1. Все соли натрия обладают хорошей растворимостью, что обуславливает его миграцию преимущественно в ионорастворенном виде. Миграционные возможности натрия весьма широки. В этом отношении он уступает только иону хлора, т.к. может вступать в обменные реакции с поглощением комплекса пород и, следовательно, выводится из раствора. Последним объясняется наблюдаемое иногда отставание концентраций натрия от хлора в процессе роста минерализации воды. В водах низкой минерализации натрий чаще всего занимает 3 место по концентрации, хотя в коре выветривания изверженных пород нередко встречаются слабоминерализованные воды с преобладанием натрия. С повышением минерализации содержание натрия увеличивается, уже и в водах, имеющих минерализацию несколько граммов на литр, натрий в большинстве случаев становится преобладающим катионом. Большая часть ионов натрия уравновешивается ионами хлора, образуя подвижное и устойчивое соединение, которое со значительной скоростью мигрирует в растворе. Меньшая, но все же значительная часть натрия мигрирует в форме сернокислых солей. В земной коре содержание натрия составляет 2,5 % по массе. Большая часть его атомов входит в состав различных силикатов. Одним из источников появления натрия в водах являются продукты выветривания изверженных пород. Другим важным источником натрия в водах служат залежи его солей, главным образом каменной соли, и рассеянные в почвах и породах его соединения (кристаллики минералов галита, мирабилита). Так же являясь одновалентным ионом, натрий вытесняется из поглощенного комплекса пород и почв двухвалентными ионами кальция и магния, что способствует накоплению его в природных водах.

Ионы калия по химическим свойствам и содержанию в земной коре имеют большое сходство с ионами натрия. Калий, так же как и натрий образует легкорастворимые соединения с главными ионами (). Однако ионы калия содержатся в природных водах в очень незначительных концентрациях, за исключением атмосферных осадков. Количество калия обычно составляет около 4-10 % содержания натрия, с наибольшим процентом в слабоминерализованных водах. Но это соотношение под влиянием локальных условий часто нарушается. Причина указанного явления заключается не в химических свойствах данного элемента, а в слабой миграционной способности калия, обусловленной главным образом его большей биологической потребностью для живых организмов, в первую очередь для растений. Относительная концентрация ионов калия в атмосферных осадках значительно выше, чем в других видах природных вод.

Кальций среди щелочных и щелочноземельных металлов обладает наивысшим кларком (3,6), его содержание в известняках, мергелях и некоторых других породах может превышать 10 % (max – до 40 %). Среднее содержание кальция в живом организме составляет 0,5 %. Этот элемент активно участвует в биологических процессах. После смерти органических веществ кальций быстро переходит в минеральную форму и поступает в почву. Поэтому почвенные растворы, как правило, являются кальциевыми. Кальций преобладает и в поглощенном комплексе почв и пород. Ионы кальция доминируют в катионном составе слабоминерализованных вод. Гидрокарбонатные кальциевые воды имеют региональное распространение в хорошо дренированных местностях. С ростом минерализации содержание кальция резко уменьшается. Это объясняется сравнительно низкой растворимостью сернокислых и низкой растворимостью углекислых солей кальция, вследствие чего при испарительном концентрировании природных вод, имеющим место в аридных условиях, непрерывно выводится из раствора громадное количество кальция в виде и . По этой причине количество кальция в природных водах редко превышает 1 г/л, обычно его содержание значительно ниже. Одним из важных источников кальция в природных водах являются известняки, доломиты и известковый цемент горных пород, которые растворяются в воде по следующей схеме:

→ →

Магний по своим химическим свойствам близок к кальцию, Кларки их одного порядка (2,10 и 3,6), но миграция этих элементов протекает по-разному. Биологическая активность у магния выражена слабее, чем у кальция. В поглощенном комплексе пород магний связывается слабее, чем кальций, этот элемент входит в состав многочисленных вторичных силикатов. Хотя ионы магния присутствуют почти во всех природных водах, но, тем не менее, очень редко встречаются воды, в которых магний доминирует. Обычно в маломинерализованных водах преобладает кальций, в сильноминерализованных – натрий. Однако лучшая растворимость сульфата и гидрокарбоната магния по сравнению с CaSO₄ и Ca(HCO₃)₂ способствует концентрированию магния в природных водах. Ионы магния поступают преимущественно при растворении доломитов, мергелей или продуктов выветривания основных (габбро), ультраосновных (дунит, перидотит) и других пород. В водах формирующихся в перечисленных породах, даже на низких стадиях минерализации ионы магния занимают первое место в катионном составе или разделяют первенство с ионами кальция [28].