Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

кислорода. Изотопы водорода: с массовым числом 1 = (Н1) ; с мас­ совым числом 2 (дейтерий) H2 = D, неустойчивый радиоактивный изотоп (тритий) Н3 = Т и два полученных лабораторным путем с мас­ совыми числами 4 и 5 (Н4 и Н5). Изотопы кислорода О16, О17 и О13 встречаются в природных условиях, изотопы О15 и О19 в естествен­ ных условиях не встречаются. Путем комбинации первых двух изо­ топов водорода (Н1 и Н2) и трех кислорода (О16, О17, О18) можно получить более девяти видов воды. Основной является вода, обра­ зованная изотопами Н1 и О16 (Н^О16), а смесь остальных видов на­

зывается тяжелой водой, под которой обычно понимают главным образом окись дейтерия D20 (Н20 ). По своим физическим свойст­

вам тяжелая вода отличается от обычной и составляет весьма не­ значительную долю от общего объема воды (0,000003%)- В табл. 2 приводятся основные физические характеристики чистой и тяжелой воды, в табл. 3 — физические константы дистиллированной воды.

§ 6. Химический состав природных вод и условия его формирования

Природные воды почти никогда не бывают химически чистыми, так как содержат различные вещества в растворенном и взвешен­ ном состоянии. В процессе взаимодействия гидросферы с атмосфе­ рой, литосферой и биосферой вода оказывает влияние на различ­ ные вещества, образуя истинные и коллоидные растворы. Истин­ ные растворы — это такие, в которых растворенные вещества находятся в виде молекул и ионов с размерами частиц, не превы­ шающими ІО-7 мм. Коллоидные же растворы включают в себя не отдельные молекулы, а группы молекул и ионов с размерами растворенных частиц от 10-1 до ІО-5 мм. Коллоидные растворы более устойчивы, но в природных водах они встречаются в незна­ чительных количествах.

Природные воды различаются между собой по химическому со­ ставу, концентрации, соотношению и форме соединений между хи­ мическими элементами, находящимися в растворе.

Из известных в настоящее время химических элементов перио­ дической системы Д. И. Менделеева более половины обнаружены в материковых и морских водах. Следовательно, по химическому составу природные воды представляют собой сложный комплекс­ ный раствор. Химический состав природных вод, по О. А. Алекину, условно можно подразделить на пять групп: 1) главнейшие ионы (хлоридные С 1', сульфатные SO", гидрокарбонатные Н С О ', кар­

бонатные С О ", ионы натрия Na', калия К', магния Mg" и кальция

и 5) органическое вещество. Газы и органическое вещество присут­

ствуют в виде молекул, соли — в виде ионов и частично в виде ком­ плексов, а некоторые минеральные и органические соединения —

ввиде коллоидов.

Впроцессе влагооборота, испаряясь с поверхности Земли, кон­ денсируясь и выпадая в виде атмосферных осадков, вода сопри­

касается с поверхностным покровом земной коры и проникает в почву. Проникая в почву, она растворяет различные вещества,, обогащаясь солями, органическими остатками и изменяя свой газо­ вый состав. Ниже почвенного слоя вода соприкасается с грунтами и коренными породами, в результате чего еще более изменяет свой химический состав. Среди пород земной коры выделяют три источника минерализации природных вод: 1) изверженные породы,, образующие растворимые соли в процессе химического выветрива­ ния, 2) отложения солей (карбонаты, сульфаты, хлориды и др.) морского происхождения, связанные с взаимодействием океанов и< материков, 3) соли, адсорбированные в различных осадочных поро­ дах и почвенном покрове. Кроме этих источников минерализации природных вод, огромное значение имеют продукты выделения изнедр Земли при вулканических извержениях, из гейзеров и мине­ ральных источников. Большое влияние на формирование и режим природных вод оказывают физико-географические и климатические условия, морфологические и другие особенности водоема.

На химический состав природных вод оказывает влияние и дея­ тельность людей. Бурный рост городов, промышленных объектов,, сооружение каналов, водохранилищ и т. д. нарушают естествен­ ный гидрохимический режим и изменяют состав природных вод.

По химическому составу материковые и океанические воды раз­ личаются по количественным соотношениям между главнейшими

состава материковых и океанических вод свидетельствует о боль­ шой инертности вод Мирового океана и их однородности, связан­ ной с мощной вертикальной и горизонтальной циркуляцией, а также со свободным водообменом между отдельными частями океанов и морей.

Воды Мирового океана отличаются постоянством солевого со­ става, т. е. постоянством количественных соотношений между глав­ нейшими ионами, не зависящих от концентрации раствора (см~ стр. 54).

Большое значение для биологических, биохимических и других процессов, происходящих в материковых и океанических водах, имеют растворенные в воде газы. Из растворенных газов наиболь­ шее значение имеют кислород Ог и двуокись углерода С 02. Особое положение занимает ион водорода Н \ хотя и содержащийся в при­ родных водах в небольших количествах, но имеющий большое зна­ чение для биологических процессов. Растворимость газов в воде зависит от давления газа на поверхность воды (парциального

давления), температуры и степени минерализации воды. Зависи­ мость растворимости газов от парциального давления определяется законом Генри—Дальтона и может быть выражена формулой

где С — растворимость газа в мг/л; k — коэффициент, выражающий растворимость газа при давлении 1 атм; р — парциальное давление в атмосферах. Парциальное давление содержащегося в воздухе кислорода равно 0,2099 атм, азота 0,7804 атм и двуокиси углерода 0,0003 атм. Растворимость газов в воде уменьшается с увеличе­ нием ее минерализации и с повышением температуры (табл. 4).

Из табл. 4 видно, что растворимость кислорода при одном и том же парциальном давлении более чем вдвое превышает раство­ римость азота. В воздухе соотношение объемов кислорода и азота равно 1 :4 (отношение парциальных давлений), а в воде 1 : 2.

Обогащение воды кислородом происходит за счет поступления кислорода из атмосферы и в результате выделения кислорода ра­ стениями в процессе фотосинтеза. Уменьшение количества кисло­ рода в воде происходит в связи с потреблением кислорода на окис­ ление органического вещества (дыхание водных организмов, бро­ жение, гниение органических остатков), а также в результате выделения кислорода в атмосферу. Содержание растворенного кис­ лорода в природных водах колеблется как во времени, так и в про­ странстве.

Двуокись углерода находится в воде преимущественно в виде растворенных молекул газа. Часть этих молекул, вступая во взаи­ модействие с водой, образует угольную кислоту Н2СОз. Обычно не разделяют С 02 и Н2С 03 и под двуокисью углерода подразумевают их сумму (С02+ Н 2С0з). Почти во всех природных водах в том или ином количестве содержится двуокись углерода. Она обязана своим происхождением различным процессам, связанным с окисле­ нием органических веществ и выделением С 02, происходящим как непосредственно в воде, так и в почвах, с которыми она соприка­ сается. Кроме того, обогащение природных вод двуокисью угле­ рода происходит в результате сложных геохимических реакций,

имеющих место в глубоких слоях Земли в связи с процессами в осадочных породах.

Расходование СО2 происходит главным образом путем перехода

ватмосферу вследствие пересыщенности воды СО2, в результате перевода карбонатных пород в раствор и путем потребления СО2 растительными организмами при фотосинтезе.

Как уже отмечалось, ионы водорода содержатся в воде обычно

ввесьма малых количествах. В химически чистой воде ионы водо­

в значительной мере зависит от диссоциации угольной кислоты: Н2СОз^НСО' + Н\ Ион водорода Н‘ — это носитель кислотных

свойств в растворе, гидроксильный ион ОН' — щелочных свойств. В химически чистой воде оба иона находятся в равных количест­ вах, поэтому химически чистая вода нейтральна. При нейтральной реакции концентрация ионов водорода равна ІО-7 г/л. Обычно кон­ центрацию ионов водорода в воде выражают в виде степенного показателя (десятичного логарифма), взятого с обратным знаком, и обозначают величину концентрации символом pH:

Таким образом, вода с нейтральной реакцией имеет pH =7. При pH, меньшем семи, реакция будет кислая, при pH, большем семи,— щелочная. Большинство природных вод характеризуется pH в пре­ делах от 6,5 до 8,5.

К группе биогенных веществ, находящихся в воде, принадлежат

щества образуются в природных водах по преимуществу в резуль­ тате распада органических веществ, претерпевающих химические изменения под влиянием биологических процессов. Вещества эти в природных водах содержатся в весьма малых количествах (в пре­ делах от тысячных до десятых долей миллиграмма в кубическом метре), но имеют важное значение для развития жизненных про­ цессов. Кроме соединения фосфора и азота, к биогенным веществам относятся соединения железа и кремния.

К микроэлементам относится большое число (более 40) найден­ ных в природных водах элементов, таких, как литий (200 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), иод, барий, марганец, медь, титан, цинк и др. Микроэлементы содержатся в природных водах в очень малых ко­ личествах, большей частью в пределах от тысячных до десятых долей миллиграмма на литр.

В природных водах, кроме неорганических соединений, всегда имеются органические вещества, представляющие собой продукты распада различных организмов — растений и животных. Они попа­ дают в природные воды и извне и образуются в самих водоемах. В водоемы поступают вещества, вымываемые водой из почвы, тор­ фяников, а также остатки растений, смываемые с поверхности