Химия окружающей среды, как раздел химической науки. Цели и задачи. Экологическая химия, химическая экология

Химические элементы в биосфере. Понятие о макро- и микроэлементах.

Воздушная оболочка, называемая атмосферой, (от греческого «атмос» — воздух и «сфера» — шар) окружает Землю со всех сторон, простираясь на высоту более 1000 км над поверхностью суши и океана. Резкой границы между атмосферой и космическим пространством нет: просто чем выше, тем воздух становится все разреженнее.В настоящее время газовый состав тропосферы (а в ней заключено более 90% массы атмосферы) следующий: N₂ – 78,09%; O₂ – 20,96%; Ar – 0,93%, CO₂ – 0,03%, а также небольшие количества гелия, водорода, криптона, ксенона, озона. С одной стороны – состав атмосферы довольно прост: она почти целиком состоит всего из трех элементов – азота, кислорода и аргона. Другие элементы, хотя и присутствуют в атмосфере в незначительном количестве, тем не менее очень важны для ее геохимии (и биогеохимии). Двуокись углерода (углекислый газ), концентрация которой всего несколько сотых процента, необходима для жизни растений, являясь источником их питания. Озон, большая часть которого сосредоточена в пределах стратосферы, также играет жизненно важную роль, так как он задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца. Если бы этого поглощения не происходило, избыточная ультрафиолетовая радиация на поверхности Земли была бы губительной для большинства форм жизни.

Кроме постоянных компонентов, в атмосфере могут присутствовать и другие составляющие, которые необходимо принимать во внимание. Среди них наибольшее значение имеют пары воды, количество которых изменяется от 0,02 до 4% по весу.

ГИДРОСФЕРА (от греч. hydor-вода и sphaira — шар), водная оболочка Земли, расположенная между атмосферой и твердой земной корой –литосферой

Воды Мирового океана занимают 70,8% земной пов-сти. Средняя глубина его 3,8 км, средняя т-ра вод 3,8 °С. На долю Мирового океана приходится ок. 90% всехвод гидросферы, поэтому хим. состав последней близок к составу вод океана, в к-рых преобладают О (85,7%), Н (10,8%), С1 (1,93%) и Na (1,03%). Больше всего в Мировом океане (и в гидросфере) содержится ионов Cl^-, SO₂^2-, Na⁺, Mg²⁺, несколько меньше — Br^-, Са²⁺, К⁺. Средняя концентрация солей 35 г/л. В океанич.водах присутствуют все известные хим. элементы, но концентрация большинства из них низкая. В то же время общее кол-во элементов в океанич. водах огромно, напр. Аи содержится 6*10⁶ т, Ag-5*10⁹ т, U-5*10⁸ т. Из морской воды добывают NaCl, Mg, Вг.

В разных существующих на Земле организмах обнаружено около 70 химических элементов, из которых 43 считаются незаменимыми. Среди них есть постоянно встречающиеся у всех организмов, а некоторые элементы присутствуют лишь у некоторых видов. По содержанию в живом веществе их подразделяют на макроэлементы, концентрация которых превышает 10-3 весовых %, микроэлементы их доля составляет 10-3-10-5 %, и ультраэлементы — группу микроэлементов, находящихся в ничтожно малом количестве (например, золото, ртуть, уран, радий). Некоторые элементы абсолютно необходимы всем организмам, многие требуются для нормального развития только отдельным видам, есть и совершенно ненужные для жизнедеятельности большинства животных и растений.

Всем без исключения организмам абсолютно необходимы С, Н, N, О, Р и S. Более 96 % органической массы приходится на долю четырех элементов — водорода, кислорода, углерода и азота и почти 4% — на долю семи так называемых макроэлементов: кальция, фосфора, натрия, серы, калия, хлора и магния. Среди важнейших микроэлементов выделяют железо, кобальт, медь, цинк, хром, молибден, марганец,фтор, йод и селен. Эти элементы, преобладающие в горных породах в виде малорастворимых соединений, в составе организмов встречаются в ничтожных количествах, как правило, в биоактивных веществах — витаминах, гормонах, ферментах и т. п. Содержание тяжелых элементов, создающих обычно токсичные молекулы в биомассе крайне невелико.

 

Геохимическая классификация элементов В. Гольдшмидта.

Макроэлементы

Элементы, содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 %. Это кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, сера,магний, натрий, хлор, железо и др. Эти элементы слагают плоть живых организмов.

Микроэлементы

Элементы, содержание которых мало, но они участвуют в биохимических процессах и в значительной мере определяют самочувствие живых организмов. По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений и животных. Среди них алюминий, цинк,кобальт, железо, йод, селен, медь, молибден, бром, фтор.

Предложена Гольдшмидтом исходя из предположения, что Земля образовалась в результате разделения первично однородного вещества, аналогичного метеоритам, на четыре части: металл, серный расплав, силикатная часть и атмосфера с океаном. Каждый элемент имеет склонность концентрироваться в одной из этих сред, и соответственно разделены на сидерофильные,литофильные, халькофильные и атмофильные элементы. Иначе говоря, это классификация по наибольшему коэффициенту распределения элемента между четырьмя фазами.

Атмофильные

H, N, C, инертные газы — всего 8 элементов.^[2][3][4]

Выделяются в газовую фазу и накапливаются в атмосфере. В природе для них характерно газообразное состояние. Большинство из них имеет атомы с заполненной электронной внешней оболочкой, располагаются в верхних частях кривой атомных объёмов; преимущественно диамагнитны. Для большинства (кроме водорода, близкого к литофильным элементам) характерно нахождение в природе в элементарном состоянии.

Халькофильные

В соответствии с классификацией норвежского геохимика В. М. Гольдшмидта, к ним относятся химические элементы сульфидных руд, то есть элементы побочных группы периодической системы химических элементов. В их число входит 19 элементов: S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Hg, Tl, Pb, Bi, Po. Металлические халькофильные элементы обладают специфическим сродством к сере, селену и теллуру. На долю всех халькофильных элементов приходится всего 0,046 % массы земной коры, но из-за способности накапливаться в определённых условиях они образуют рудные месторождения, среди которых доминируют гидротермальные жильные. В осадочных породах сульфиды ряда элементов (меди, свинца, цинка и частично серебра) образуют стратиформные (пластовые) рудные залежи.

Литофильные

Сидерофильные

В более сложных случаях замещение происходит не между отдельными ионами (атомами), а между группами, комплексами ионов. Изоморфные замещения могут происходить как между ионами с одинаковой валентностью, так и между разновалентными ионами. В соответствии с этим выделяют изовалентный и гетеровалентный изоморфизм. При изовалентном изоморфизме в структуре минерала замещаются ионы равной валентности. При гетеровалентном изоморфизме в кристаллической решетке замещаются ионы разной валентности. При этом важным условием является выравнивание электростатического баланса соединения, которое может происходить следующими путями: 1. Помимо гетеровалентного замещения двух элементов происходит еще дополнительное изоморфное замещение других двух элементов. Оба эти замещения дают суммарный эффект, при котором баланс электрических зарядов не меняется. 2. Выравнивание электрического баланса изоморфной смеси может осуществляться также за счет замещения неодинакового числа ионов, как это происходит в слюдах. 3. В том случае, когда решетка кристалла обладает вакантными местами, компенсация зарядов при гетеровалентном изоморфизме осуществляется дополнительными ионами. В итоге один ион большей валентности замещается двумя ионами, сумма валентностей которых равна валентности первого иона. Этот вид гетеровалентного изоморфизма широко распространен в роговых обманках.

Помимо изовалентного и гетеровалентного изоморфизма некоторые авторы выделяют еще особый вид изоморфизма, при котором в кристаллическую решетку одного вещества оказываются включенными слои или блоки другого вещества субмикроскопических размеров. Однако следует подчеркнуть, что если первые два вида изоморфизма дают продукты в виде твердых растворов, принципиально сопоставимых с обычными жидкими растворами по степени их гомогенности, то предлагаемый особый вид изоморфизма, строго говоря, должен быть сопоставлен скорее с коллоидными системами, чем с обычными растворами. Комплекс причин, от которых зависит характер изоморфизма, его направленность и интенсивность можно разделить на две группы: причины внешние и внутренние. К внешним причинам относятся температура, давление и концентрация вещества в определенной среде, к внутренним свойства самих элементов, участвующих в изоморфизме, особенности строения и размеров их атомов (ионов) и состояния кристаллической постройки, в которой происходит замещение. К внутренним факторам изоморфизма относятся ионные (атомные) радиусы, поляризационные свойства ионов, удельные заряды ионов, потенциалы ионизации и функция электрического поля, энергия кристаллической решетки, электроотрицательность элементов.

Изоморфизмом в кристаллохимии называют два несколько разных явления:

Изоструктурными называются вещества с одинаковой кристаллической структурой. Изоморфными — те изоструктурные вещества, которые состоят из химически схожих компонентов. Это близость структуры и формы кристаллов различного (но родственного) химического состава. В этом смысле изоструктурными можно назвать NaCl, MgO и FeN, а изоморфными MgO и FeO. Изоморфизм структур вместе с другими важнейшими категориями кристаллохимии: полиморфизмом, морфотропией и структурной гомологией является важнейшим свойством кристаллических решеток.

С другой стороны, термином «изоморфизм» обозначается явление взаимозамещения атомов и иных структурных единиц в кристаллических фазах переменного состава. Такие вещества также называют изоморфными смесями или твердыми растворами. В этом смысле понятие изоморфизма употребляется гораздо чаще.

Что определяет физические свойства воды?Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода – легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды – гидрида кислорода.

Смачиваемость водыЭто же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.

Капиллярность водыКапиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.

В чем вода противоречит химии и таблице Менделеева?Самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования

Температуры кипения и замерзания водыТемпературы кипения и замерзания гидридов элементов кислородной подгруппы графически представлены на рис. 1.7. У самого тяжелого из гидридов H₂Te они отрицательны: выше 0°С этосоединение газообразно. По мере перехода к гидридам более легким

(H₂Se, H₂S) температуры кипения и замерзания все более снижаются. Сохранись и далее эта закономерность, можно было бы ожидать, что вода должна кипеть при -70°С и замерзать при -90°C. В таком случае в земных условиях она никогда не могла бы существовать ни в твердом, ни в жидком состояниях. Единственно возможным было бы газообразное (парообразное) состояние. Но на графике зависимости температуры неожиданно резкий подъем – температура кипения воды +100°С, замерзания – 0°C. Это наглядное преимущество ассоциативности – широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовые состояния в условиях нашей планеты.Теплота парообразования водыАссоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).

Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.

Температура плавления водыПри плавлении льда немало энергии уходит на преодоление ассоциативных связей ледяных кристаллов, хотя и вшестеро меньше, чемпри испаренииводы. Молекулы Н₂O фактически остаются в той же среде, меняется лишь фазовое состояние воды.

Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве того же количества воды на 80°С (от 20 до 100°С).

При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда – поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.

Использование аномальных свойств водыАномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах – градирнях.Охлаждение… кипятком!На многих металлургических производствах Донбасса в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования – эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100°C. А вот пример совсем из другой области человеческой деятельности – сельского хозяйства, садоводства. Когда поздней весной внезапные ночные заморозки угрожают цветущим плодовым деревьям, опытные садоводы находят выход, кажущийся совершенно неожиданным: они проводят дождевание сада. Пелена мельчайших водных брызг окутывает замерзающие деревья. Капельки воды покрывают лепестки цветов. Превращаясь в лед, вода надевает на цветы ледяную шубу, отдавая при этом им свое тепло (335 Дж от 1 г замерзающей воды).Аномальная теплоемкость водыШирокое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью – высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа.

Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.

Вода и температура живых существИнтересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, а ведь это нормальная температура человеческого тела! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.

Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость – кристалл», то есть «вода – лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100°С вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2…0,3 нм. Температурные границы переходов – 0, 15, 30, 45, 60 и 100°С.

Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30…45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23…25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5…10°С).

Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на – 20°С.

Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.Углубленное изучение физического смысла и направлений практического применения данного явления еще ждут своих исследователей. Но уже и теперь ясно, что эти открытия представляют очень интересный и ценный познавательный материал.

Гидрокарбонат-ионов.

Средней минерализации.

Сульфатных вод.

Растворов.

Начало формы

ФОРМУЛА КУРЛОВА,

Курлов, 1921, — псевдоформула, наглядно изображающая основные свойства хим. сост. воды. В числителе дроби пишут анионы, в знаменателе — катионы, присутствующие в количестве более 5%-экв. (из расчета, что анионы и катионы составляют по 100 %). Рядом с символом иона указывают содер. его в %-экв. Впереди дроби сокращенно указывают величину минерализации М (в г/л) и недиссоциированные части или газы (в мг/л) и радиоактивность (в эманах), если они придают воде специфические свойства, а в конце дроби — температуру Т (в °С), и дебит Д (в м³/сут). Напр.:

Активная реакция воды

Равновесием.

В химии, как известно, окислением называется отдача электронов, а их присоединение – восстановлением. Поэтому окисление одного элемента, отдающего электроны, сопровождается восстановлением другого, их приобретающего. В результате возникают окислительно-восстановительные реакции. Элементы и ионы, принимающие электроны, являются окислителями, а отдающие – восстановителями. Важнейшим окислителем в ландшафте является свободный кислород атмосферы. Окислителями могут быть и другиехимические элементы, способные принимать электроны: трехвалентное железо, четырехвалентный марганец, шестивалентная сера, пятивалентный азот и др. Восстановителями являются различные химические элементы, вернее их атомы и ионы, способные отдавать электроны – двухвалентное железо, двухвалентная (отрицательная) сера, водород, двухвалентный марганец, элементы в металлическом состоянии – медь, мышьяк и другие, трехвалентный хром, трехвалентный ванадий и т.д. Важнейшими восстановителями в ландшафте являются органические вещества (органические кислоты и др.), двухвалентное железо и газообразный водород.

В зависимости от степени ионизации и условий окружающей среды один и тот же элемент может быть и окислителем и восстановителем. Так, например, трехвалентное железо – окислитель, а двухвалентное – восстановитель; четырехвалентный марганец – окислитель, двухвалентный восстановитель.

Окисление часто связано с присоединением газообразного водорода из воздуха и воды (отсюда и происхождение термина «окисление»), хотя одновременно имеет место и восстановление кислорода. Аналогично говорят о восстановлении сульфатов или соединении трехвалентного железа, не упоминая об одновременно протекающем окислении органических веществ.

При изучении окислительно-восстановительных процессов важно учитывать величину Еh, т.е. окислительно-восстановительный потенциал, который характерен для данной природной системы с ее конкретными величинами концентраций, рН и температуры. Еh измеряется в вольтах.

Многие элементы в зависимости от Еh среды имеют разную валентность (железо трех и двухвалентное, медь двух и одновалентная, ванадий пяти и трехвалентный и т.д.). Поэтому, обнаружив в ландшафте соединение данного элемента определенной валентности (например, H2S или H2SO4), можно сделать ориентировочные выводы о величине Еh вод.

Окислительно-восстановительные условия имеют важное таксономическое значение для геохимической классификации вод и ландшафтов. Это объясняется огромным энергетическим эффектом окислительно-восстановительных реакций, коренным образом меняющим геохимическую обстановку в водах. Данные Еh природных вод позволяют судить о миграционной способности элементов и, наоборот, по условиям миграции хотя бы одного элемента с переменной валентностью можно говорить о величине Еh вод (а следовательно и о миграции в них других элементов). Так, низкая величина Еh в северных болотах определяет миграцию в них железа двухвалентного, кобальта двухвалентного, никеля двухвалентного. Кислородные щелочные почвенные и грунтовые водыстепей и пустынь неблагоприятны для миграции железа двухвалентного, который в них находится в форме трехвалентного, образующей труднорастворимые минералы. Такие воды благоприятны для миграции селена, молибдена, урана, входящих в состав комплексных анионов.

В ландшафте Еh обычно колеблется от +0,7 до – 0,5 В. Поверхностные и грунтовые воды, содержащие свободный кислород, чаще всего имеют более узкий интервал Еh – от +0,150 до +0,700 В. Трещинно-грунтовые воды изверженных пород даже на глубине 250-300 м имеют Еh более 0. Еh солончаков или соляных озер, болот часто значительно ниже 0, местами до –1,5 В. В этих условиях развиваются процессы восстановления SO42-, Fe3+ и других ионов.

Ярким примером смены окислительно-восстановительных условий является переход трехвалентного железа в двухвалентное (Fe 3+ → Fe 2+), так как с ним связано изменение окраски пород и почв. Соединения трехвалентного железа имеют красную и бурую окраску, а соединения двухвалентного железа – зеленоватую, сизую. Для каждого элемента имеется своя окислительная и восстановительная обстановка в соответствии с величинами его Еh. Например, обстановка кислых таежных болот с Еh 0,4 В для железа будет восстановительной, так как в этих условиях оно перейдет в двухвалентное железо. Для меди эта обстановка еще будет окислительной, переход двухвалентной меди в одновалентную медь наступает при более низких величинах Еh. Однако, учитывая высокий кларк железа и легкую индикацию его окисленных и восстановительных соединений (смена окраски), удобно поведение железа положить в основу выделения окислительно-восстановительных обстановок ландшафта. А.И.Перельман (1975) выделяет три основных обстановки: 1) окислительную; 2) восстановительная без H2S (глеевая) и 3) восстановительная с H2S и соответственно трех классов природных вод: 1) кислородных; 2) глеевых; 3) сероводородных (сульфидных).

Окислительная обстановка характеризуется присутствием в водах свободного кислорода, поступающего из воздуха за счет естественной растворимости или за счет фотосинтеза водных растений. Еh выше 0,15 В, часто выше 0,4 В. Железо чаще всего находится в форме трехвалентного железа.

Кислородные воды обладают высокой окислительной способностью, в них действуют аэробные бактерии, окисляющие органические вещества доуглекислого газа и воды, протекает и окисление неорганических веществ (двухвалентных железа и марганца и других элементов). Хром, ванадий, сера, селен в высоких степенях окисления образуют растворимые соединения – хроматы, ванадаты, селенаты, сульфаты. В ландшафтах, где преобладает окислительная среда, эти элементы имеют высокую миграционную способность. Например, в пустынях встречаются легкорастворимые сульфаты натрия, магния, хроматы, ванадаты, селенаты. Железо и марганец в окислительной обстановке образуют труднорастворимые соединения трехвалентного железа и четырехвалентного марганца, что объясняет их слабую миграцию в таких ландшафтах.

В различных частях ландшафта окислительно-восстановительные условия природных вод неодинаковы. Выше кислородной поверхности преобладают кислородные воды, обладающие окислительной способностью и величиной Еh 0,15-0,5 В (при рН 6-8). Ниже кислородной поверхности воды восстановительные, величина Еh менее 0,4 В (в щелочных водах степей «пограничный Еh» значительно снижается).

В природных системах ландшафта происходит закономерная смена окислительно-восстановительных условий, образуется окислительно-восстановительная зональность. Наиболее восстановительные условиявозникают в местах энергичного разложения органических веществ (в горизонтах А почв, верхней части илов, в местах захоронения органических остатков в водоносных горизонтах и т.д.). В сторону от этих горизонтов Еh растет, причем более окислительные условия наблюдаются глубже восстановительных (в горизонте В почв, в глубоких частях илов и т.д.).

Жесткость воды – совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней преимущественно солей кальция и магния. Использование жесткой воды приводит к осаждению твердого осадка (накипи) на стенках паровых котлов, теплообменников, затрудняет варку пищевых продуктов, стирку. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Первая связана с присутствием в воде гидрокарбонатов, вторая – других солей. Временную жесткость воды устраняют кипячением, постоянную – умягчением воды (добавлением гашеной извести, соды, применением катионитов и др.).

Природная вода, как известно, представляет собой сложную многокомпонентную динамическую систему, в состав которой входят различные соли, органические вещества (фульвокислоты, гуматы), газы, диспергированные примеси и взвешенные вещества (глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы), гидробионты (планктон, бентос, нейстон), бактерии, вирусы. В истинно растворенном состоянии в воде находятся минеральные соли, обогащающие воду ионами, их источниками являются природные залежи известняков, гипсов и доломитов.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния, которые поступают в подземную воду из омываемых ею грунтов. Просачивание воды через почву приводит к изменению ее солевого состава. Жесткость природных вод не является вредной для здоровья, а скорее наоборот, т.к. кальций способствует выводу из организма кадмия, отрицательно влияющего на сердечно-сосудистую систему. Однако повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поэтому согласно ГОСТ 2874-82 норма общей жесткости составляет 7 мг-экв/л, а допустимая величина – 10 мг-экв/л.

Мембранный метод умягчения воды Реакции ионного обмена при умягчении воды не всегда оправданы с технологической, экономической или экологической сторон. В этих случаях, как правило, применяют мембранные технологии очистки воды от солей жёсткости (нанофильтрация воды или обратный осмос)

Прочие системы умягчения воды Известкование, магнитное умягчение воды, диализ, известкование и различные сочетания перечисленных методов (комбинированный метод умягчения воды) и т.д.

Цветность воды.

Цветность воды свойственна природным источникам, имеющим примесь болотных вод. В последних всегда содержатся растворенные гуматы и коллоидальные частицы гуми-новых кислот, которые и вызывают желтоватый оттенок воды. Интенсивность этого оттенка, или цветность воды, выражаемую в градусах, определяют по так называемой плати ново-кобальтовой шкале путем сопоставления с несколькими эталонами, имитирующими различную степень окраски воды. Один градус цветности соответствует содержанию в растворе эталона 1 мг л платины. Цветность питьевой воды в среднем за год должна быть не более 15 градусов, а в некоторых случаях не более 35гр.

Окисляемость воды.

Окисляемость воды выражают числом миллиграммов кислорода, пошедших на окисление органических веществ в 1 л воды. Окисляемость хорошей питьевой воды из закрытых водоемов не превышает 1 мг кислорода на 1 л воды. Речная вода, содержащая различные продукты растительного происхождения, имеет большую Окисляемость: 4 — 8 мг на 1 л воды.

Всего известно около 2 тыс. минералов, а число разновидностей достигает 4 тыс. Широкое распространение в почвах и почвообразующих породах имеют около 50 минералов. Они подразделяются на первичные и вторичные. Первичные минералы (кварц, полевые шпаты и др.) образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. Только из них состоят магматические породы. Первичные минералы неустойчивы в условиях земной поверхности и подвергаются процессам выветривания. Они содержатся, в основном, в частицах почвы диаметром более 0,001 мм.

Вторичные минералы образовались в результате экзогенных процессов выветривания из первичных минералов. Они более устойчивы к процессам выветривания, по сравнению с первичными, так как образовались в термодинамических условиях земной поверхности. Вторичные минералы являются тонкодисперсионными и содержатся, в основном, во фракции почв диаметром менее 0,001 мм.

По химическому составу выделяются следующие девять классов минералов: 1) силикаты, 2) карбонаты, 3) нитраты, 4) сульфаты, 5) фосфаты, 6) оксиды и гидроксиды, 7) галоиды, 8) сульфиды, 9) самородные элементы. Большинство из перечисленных классов включают как первичные, так и вторичные минералы. Преобладают в породах и почвах силикаты и карбонаты.

25. Группы химических элементов по абсолютному содержанию в почве.

Большое число химических элементов — первая особенность почв. Вторая состоит в сочетании высокого содержания углерода и кремния, что связано с влиянием растительности и живых организмов на почвообразующие породы. Третья особенность почв заключается в значительном диапазоне колебания концентраций химических элементов.

Химические элементы в почвах находятся в разных формах: в составе органического вещества почвы, кристаллической решетки первичных и вторичных минералов, в органоминеральных соединениях, новообразованиях, в ионной форме — в почвенных растворах или в составе почвенного поглощающего комплекса.

По абсолютному содержанию все элементы в почвах объединяются в три группы. Первая группа включает два элемента: Si и О. Содержание каждого из них составляет десятки процентов, а в сумме они могут составлять 90 % и более. Во вторую группу входят элементы, содержание которых лежит в диапазоне от десятков долей до нескольких процентов. К ним относятся Fe, Al, Са, Mg, С, К, Na, Ti, Mn, N, P, S. Микроэлементы образуют третью группу. В нее входят Ва, Sr, В, Rb, V, Ni, Со, Li, Mo, Cs, Se и другие, более редко встречающиеся в почвах элементы. Химический состав почв всегда изменяется по глубине профиля.

Химический состав почвы — это относительное содержание в процентах химических элементов в определенной массе почвы. Изменение химического состава почвы по профилю проявляется в двух формах: абсолютном накоплении или потере элемента за счет переноса его соединений в пределах почвенного профиля и относительном накоплении (потере) элемента вследствие потери (накопления) в данном горизонте других химических элементов. Особенно сильная профильная дифференциация химического состава наблюдается в почвах, в которых формируются органогенные (торфянистые), подзолистые, карбонатные и засоленные горизонты. Химический состав почв, унаследованный от почвообразующих пород, постоянно преобразуется в результате взаимодействия многих процессов:

- перехода химических элементов из одних соединений в другие при трансформации минералов;

- поступления веществ из атмосферы и вовлечения их в реакции взаимодействия с почвенными растворами;

- растворения веществ в воде и выноса их из почвенного про-филя или из его горизонтов с боковым или грунтовым сто-ком;

- поступления химических элементов с боковым притоком и грунтовыми водами, особенно капиллярным путем;

- осаждения растворенных в почвенной влаге веществ при испарении;

- перехода химических соединений из одного состояния в другое в процессе жизнедеятельности растений;

- вовлечения продуктов метаболизма микроорганизмов, животных и человека в биологический круговорот;

- хозяйственной деятельности человека.

Все процессы, обусловливающие изменения химического состава в профиле почв, можно подразделить на три группы:

- трансформация органических и минеральных компонентов;

- перенос и осаждение вещества;

- образование отдельных генетических горизонтов и формирование почвенного профиля в целом.

Химический состав оказывает двойственное влияние на плодородие почв. С одной стороны, с химическим составом связано содержание питательных элементов, необходимых растениям, с другой — он определяет ряд свойств почв (например, кислотность), которые имеют решающее значение для роста и развития растений. Как дефицит в почве каких-либо элементов пищевого режима растений, так и их избыток неблагоприятно сказываются на продуктивности растений.)

Литосфера, гидросфера и атмосфера служат источниками химических элементов для ландшафта. Огромное разнообразие горных пород. Химические элементы различаются по поведению в ландшафте. Одни образуют химические соединения, вступая в реакции с другими элементами, и определяют многие важные свойства и особенности ландшафта («активные мигранты»), в то время как другие почти не участвуют в реакциях и соответственно оказывают небольшое влияние на геохимические особенности ландшафта («неактивные мигранты»). Неактивные мигранты мигрируют в ландшафте «пассивно», в ходе механического перемещения отдельных частит горных пород и минералов водными, ледниковыми, воздушными и другими потоками.