Вода и ее применение в современных технологиях (стр. 5 из 7)

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что растворимость газа в природной воде при постоянных температуре и степени минерализации прямо пропорциональна давлению газа на жидкость, для газовых смесей она пропорциональна давлению каждого газа в отдельности. Но это справедливо для сравнительно небольших давлений. При значительных давлениях, например на больших глубинах в океане, где давление подчас достигает сотен и даже тысячи атмосфер, на растворимость газов в воде влияет не парциальное давление отдельных газов, а общее давление всего столба воды, но об этом речь впереди.

В растворенном газе дождевой воды углекислоты в 33 раза больше, чем в воздухе, а кислорода в два раза больше.

Углекислый газ поступает в атмосферу (наземную и подземную) преимущественно за счет окисления, брожения и гниения органических остатков и дыхания водных организмов. В атмосфере его содержание при парциальном давлении 0,0003 атм невелико - около 0,03%.

В 1 л чистой воды при таком давлении и температуре 15 °С может раствориться всего лишь 0,59 мг углекислого газа. В земных недрах на значительных глубинах его содержание может достигать очень больших значений, и источником этого газа чаще служат глубинные процессы выделения его из вещества мантии и нежней литосферы.

2.3 Растворимость твердых веществ в воде.

Процесс растворения твердых веществ в воде можно рассматривать как борьбу двух электростатических сил с противоположными зарядами, присущих ионам твердого вещества, с одной стороны, и ионам и молекулам воды — с другой. На рис. 9 показана схема процесса растворения кристалла поваренной соли (NaCI). Оторванные от кристалла заряженные ионы хлора и натрия окружаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое вещество выпадает из насыщенного раствора в осадок. Например, выпадающий из раствора при его пересыщении сульфат кальция (Са[S0₄]) захватывает воду (называемую кристаллизационной) и становится гипсом (Ca[S0₄] · 2H₂0). Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с гематитом (железным блеском Fe₂Оз), переходящим при гидратации в лимонит (бурый железняк HFeO₂ ·nH₂O, где п достигает 4) и т. п.

Процессы гидратации могут происходить настолько быстро и сопровождаться столь значительным увеличением объема, что приводят к нарушениям земной коры, подобно тектоническим дислокациям.

Растворы представляют собой сложные промежуточные системы между физическими смесями и химическими соединениями. Процесс растворения — процесс диффузионный. При достижении предела растворения (при известных температуре и давлении) наступает динамическое равновесие между количествами как растворяемого вещества, так и выпадающего из раствора, образуется насыщенный, или концентрированный, раствор. Д. И. Менделеев относил процесс растворения не к физическим, а к химическим процессам на том основании, что нередко при растворении выделяется тепло. Это происходит вследствие химического взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем. Процентное содержание воды в некоторых минералах очень велико. Например, мирабилит Na₂S0₄·10H₂0 содержит 56 вес. % воды, гидробазалюминит А1₄[(ОН)₁₀SO₄]₃ · 36Н₂O — 60, сода Na₂СOз·10H₂О — 55 и т. д.

Твердое вещество образует водный раствор из молекул и ионов с диаметром 1—10А. Но в воде могут содержаться и более крупные частицы: от 10 до 100А, которые образуют чаще всего не истинные, а коллоидные растворы. Если находящиеся в воде частицы еще крупнее, то они не образуют растворов, а создают механические суспензии, взвеси.

Химический состав природных растворов весьма разнообразен. Существует множество классификаций их, построенных по разным принципам. Форма выражения результатов анализов может быть различной: солевая, окисная, атомная и ионная. Последняя, хотя, как и другие, условна, однако в настоящее время признана наиболее удобной, поскольку позволяет выражать все, что содержится в воде, вплоть до живых организмов. Именно так и стремился поступать автор классической монографии о природных водах академик В. И. Вернадский. По его классификации природные воды разделялись на 485 видов минералов группы воды (гидридов), причем общее их количество, по его мнению, в действительности должно превысить 1500. Конечно, для практических целей такая классификация затруднительна.

В настоящее время все природные воды по пре" обладающему аниону делят на три класса: 1) хлоридные, 2) сульфатные и 3) гидрокарбонатные.

Каждый класс подразделяется в свою очередь на три группы: 1) кальциевую, 2) магниевую и 3) натриевую, т. е. классификация проводится по катионам. Группы можно делить еще по трем типам, но мы эту классификацию рассматривать не будем. По преобладающему растворенному газу воды могут быть подразделены на азотные, сероводородные, углекислые и т. д.

Самыми главными и наиболее распространенными компонентами в природных растворах являются хлор, а затем натрий, далее следуют ионы сульфатный

,гидрокарбонатный HCO₃^- и карбонатный , кальций Са²⁺, магний Mg²⁺ и др.

На рис. 11 показана зависимость растворимости некоторых солей хлора от температуры. Кривые недвусмысленно показывают, что из четырех солей хлора наибольшей растворимостью обладает хлористый кальций, а наименьшей хлористый натрий.

Насколько возрастает растворимость солей с повышением температуры и давления, рассмотрим на примере самого распространенного в водной среде вещества — хлористого натрия NaCl. При температуре 10°С и давлении 1 бар он растворяется предельно—257 г/кг (насыщенный раствор), а при температуре 500 ⁰С и давлении 1 кбар—в 1571 раз больше (561000 г/кг), т. е. по массе вода как растворитель в 56 раз легче, чем растворяемая соль. В большинстве случаев то же самое происходит и с другими солями. Однако встречаются и исключения. В качестве примера можно привести хромовокислый кальций СаСrO₄, растворимость которого при температуре 0°С 15,4, а при 100 ⁰С—только 7,1 г/кг. Так же ведут себя гипс CaSO₄ · 2H₂O в интервале температур 40—100°С, сульфат натрия Na₂S0₄ при 25—100°С и некоторые другие соли.

2.4 Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом.

Выше было сказано, что при некоторых условиях вода способна расщепляться на два иона: положительно заряженный гидратированный катион Н+ (Н₃О⁺) и отрицательно заряженный анион ОН^- (называемый также гидроксилом). Но вода способна не только расщепляться сама, но и расщеплять другие вещества, в ней растворенные, вступая при этом в обменные реакции с присоединением элементов воды (ОН^- и Н⁺. Этот процесс носит название гидролиза. В качестве одного из примеров можно привести гидролиз хлористого железа, протекающий по следующей схеме:

FeCl₃+ЗН₂О Fe(OH)₃ + ЗНСl.

В результате гидролиза мы получаем гидрат окиси железа и соляную кислоту.

Останавливаться сейчас подробнее на гидролизе мы не будем, но просим его запомнить для лучшего понимания последующего. Отметим лишь, что гидролизом объясняются белящие свойства хлора, моющеедействие мыла. Гидролиз имеет большое применение в промышленности: в паточном производстве, при получении спирта из древесины и во многих других областях производства.

Учитывая тесный контакт подземной воды с вмещающими ее породами и ее высокую растворяющую способность, естественно ожидать влияния на формирование химического состава раствора, каким является природная подземная вода, химического состава вмещающих воду пород. Это иногда и наблюдается в верхних горизонтах литосферы до глубин, различных в разных местах, но не превышающих зоны возможного проникновения в породы современных поверхностных вод. Разумеется, многое здесь зависит от растворимости пород и от целого ряда превходящих факторов, таких, как температура, давление, биохимические процессы, наличие тех или иных уже растворенных веществ, в частности растворенных или свободных (называемых спонтанными) газов.

Во всяком случае, при циркуляции воды в известняках или доломитах и при их выщелачивании образуется гидрокарбонатно-кальциевая, жесткая, вода, а в случае смывания залежей поваренной соли, хлоридно-натриевая. Образование гидрокарбонатно-натриевых (содовых, Na₂HCO₃) вод объясняется иногда разложением полевых шпатов (например, плагиоклаза NaAlSi₃O₈) в присутствии углекислого газа СО₂. Воды сульфатного класса в присутствии кислорода могут образовываться при их циркуляции в трещиновато-пористых породах, богатых сульфидными минералами.

Во всех перечисленных случаях повышенные минерализации вод (до рассолов включительно) чаще возможны при интенсивном природном выпаривании подобных растворов. Например, в озерах в районах с жарким климатом. Мы не разделяем мнение многих исследователей, привлекающих эти процессы для объяснения высоких концентраций глубинных рассольных вод.

Химический состав природных растворов выражается самыми различными формулами. Вот как с помощью формулы Курлова могут быть выражены результаты анализа морской воды:

Как отмечалось выше, наиболее предпочтительной формой выражения результатов анализа воды является ионная. При этом содержание того или иного иона дается в граммах или миллиграммах на литр воды. Однако для полной характеристики свойств воды ионная форма недостаточна. В связи с этим наряду с ионной пользуются миллиграмм-эквивалентной формой. Пересчет данных анализа на миллиграмм-эквивалентную форму осуществляется делением количества миллиграммов каждого иона в 1 л воды на его эквивалентную массу. Например, разделив 10722 мг натрия на его эквивалентную массу, равную 23, получим 466 мг-экв. натрия. Сумма миллиграмм-эквивалентов для катионов и анионов должна быть одинаковой, поскольку каждому эквиваленту катиона соответствует эквивалент аниона.