Химия окружающей среды

 

4Fe2+ + О2 + 10НСО3 – + Н2О = 4Fe(OH)3 + 10СО2.

 

Часто химические реакции начинаются при концентрировании воды путем испарения, как это происходит в океанах или бессточных озерах. Например, при увеличении концентрации, ионы кальция начинают реагировать с гидрокарбонат –ионами:

 

Са2+ + 2HCО3 – = CaCO3 + Н2О + СО2

 

Поэтому в большинстве рек основную массу ионов составляют гидрокарбонат –ионы и ионы кальция и магния, а в океанах и бессточных озерах их доля в общей массе ионов невелика.

Поглощение живыми организмами. Растворенные и взвешенные вещества могут поглощаться живыми организмами. Дальше у таких веществ два пути: перебраться вместе с организмом на сушу, или после гибели организма оказаться в донных отложениях. Причем и в том, и в другом случае вещество может пройти через длинную пищевую цепь. Например, тяжелые металлы сначала накапливаются в рачках –фильтрантах. Часть рачков отмирает, и их тела, вместе с накопленными металлами оседают на дно. Другую часть поедают рыбы, получая вместе с рачками тяжелые металлы. Эти рыбы могут также осесть на дно после смерти, а могут быть съедены птицами. Во втором случае содержавшиеся в рыбе тяжелые металлы покидают водоем. Однако доля тяжелых металлов, покинувших водоем таким путем гораздо меньше, чем доля тяжелых металлов, осевших на дно. Живые организмы могут также перевести вещество в летучие формы. Например, денитрифицирующие бактерии переводят нитрат – ионы в N2.

Схема стоков растворенных в воде веществ приведена на рисунке.

 

 

 

Главные компоненты природных вод

 

Главными компонентами мы будем называть те компоненты природных вод, которые определяют основные химические процессы в них26. К главным компонентам относят главные ионы (то есть ионы, присутствующие в воде в наибольших концентрациях), они же макрокомпоненты. Также к главным компонентами мы будем относить вещества, концентрация которых невелика, но поддерживается более или менее постоянной за счет обмена с атмосферой (СО2, О3) или подстилающими породами. Кроме того, к главным компонентам мы будем относить кинетически устойчивые продукты разложения органических остатков — гумусовые кислоты, а также серусодержащие соединения.

 

Главные ионы

 

Основную массу растворенных веществ составляют четыре катиона (Са2+, Mg2+, Na+, К+) и три аниона (НСО3 –, Сl – и SO42 –). Эти семь ионов еще называют главными ионами, а сумму катионов Са2+ и Mg2+ — общей жесткостью.

Гидрокарбонаты и жесткость. Как правило, в пресных водоемах больше всего ионов кальция, магния и гидрокарбонатов. Основной их источник — выщелачивание горных пород раствором углекислого газа в природной воде. В первую очередь выщелачиваются карбонатные породы — известняки и доломиты:

 

(Ca,Mg)CO3 + Н20 + СО2  –> (Ca,Mg)2+ + НС03 –

 

Существенно хуже выщелачиваются полевые шпаты (компоненты изверженных горных пород):

 

CaSi2Al2O8 + 2Н2О + 2СО2 = Са2+ + 2НСО3 – + 2HAlSiO4.

анортит              каолинит

 

Могут выщелачиваться и другие горные породы, но основной источник кальция и магния — известняки и доломиты. Кроме того, около 7% магния попадает в водоемы с дождевой водой, куда эти ионы, в свою очередь, выносятся ветром с поверхности океана.

Поскольку магний выщелачивается хуже кальция (в первую очередь это относится к карбонатным породам), его молярная концентрация в пресной воде обычно в 4 –5 раз меньше молярной концентрации кальция.

При концентрировании воды гидрокарбонаты реагируют с ионами кальция и магния, поэтому в океанах или бессточных озерах с соленой водой гидрокарбонатов и кальция достаточно мало.

В основном, именно гидрокарбонат –ионы определяют рН природных вод и нейтрализуют попадающие в водоем кислоты (в первую очередь, серную). В гидрокарбонат –ионах в природных водах сосредоточены основные запасы углекислого газа, необходимого растениям для фотосинтеза. Ионы кальция необходимы многим организмам для построения скелета и осуществления мышечных сокращений. Ионы магния используются водной растительностью для построения фотосинтетического аппарата. Из пресных вод организмы поглощают лишь небольшую долю кальция и магния, а из морских вод кальций (вместе с гидрокарбонатами) поглощается достаточно активно, поскольку многие организмы строят из карбоната кальция свой внешний скелет (раковины и т.п.).

Хлориды. Основной источник хлоридов в пресных водах — атмосферные осадки, в которые хлориды попадают с капельками морской воды, уносящимися ветром во время штормов. В среднем 64% всех хлоридов, находящихся в пресных водоемах России, попали туда с атмосферными осадками.

Еще 29% хлоридов попадает в водоемы в результате деятельности человека. Дело в том, что хлориды в достаточно высокой концентрации (0,1 –0,2 М) содержатся в моче человека и животных. Эта концентрации примерно в 1000 раз превышает концентрацию хлоридов в дождевой воде. Кроме того, человек использует поваренную соль, добываемую из морской воды или подземных залежей, для различных технических целей (от посыпания дорог зимой до мытья посуды). Эта соль смывается в канализацию и рано или поздно оказывается в реках. Особенно велик сброс хлоридов в реки, протекающие в крупных городах. Так, в Москве – реке выше города концентрация хлоридов колеблется в диапазоне 0,3 –0,6 мМ, а ниже — 1,2 –3,1 мМ.

Третий, наименее мощный источник хлоридов в пресных водоемах  – растворение подземных отложений солей. Этим путем хлориды попадают в реки Каму, Лену и некоторые другие водоемы. Из воды хлориды практически не выводятся, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

 

Натрий. У натрия существует несколько примерно равнозначных по мощности источников. В первую очередь, как и в случае хлора, натрий привносится с атмосферными осадками (37%). Однако, в отличие от хлора, большое значение имеют также выщелачивание различных минералов — пироксенов, амфиболов, слюд, полевых шпатов (35%) и вымывание атмосферной пыли (29%). Оставшиеся 26% попадают в водоемы Европейской части России в результате деятельности человека. Попав в природную воду, натрий из нее практически не выводится, лишь частично поглощаясь живыми организмами.

Калий. Несмотря на то, что химически натрий весьма сходен с калием, их источники в гидросфере сильно различаются. Во –первых, калий гораздо хуже выщелачивается из горных пород, а во–вторых, активно поглощается биосферой (в первую очередь, растительностью).

В пресных водоемах массовая концентрация калия в среднем в 4 раза меньше, чем концентрация натрия. В океанских водах — в 28 раз.

70% калия попадает в водоемы  с атмосферной пылью (в основном он содержится в золе сгоревших деревьев и частицах почвы). 23% — за счет выщелачивания горных пород и только 2% — за счет деятельности человека (в основном, это сток калийных удобрений). Доля калия, принесенного из океанов, также невелика — около 5%.

Попав в воду, калий активно поглощается живыми организмами. Кроме того, обладая гораздо большим сродством к силикатным породам, чем натрий, калий сильнее сорбируется на взвешенных частицах силикатных минералов (в первую очередь, глинах).

Сульфаты. Сульфаты попадают в водоемы в первую очередь из атмосферы. Серусодержащие вещества, попадающие в атмосферу как результат жизнедеятельности организмов, а также разложения или горения их остатков, довольно быстро окисляются до серной кислоты, которая и проливается с дождями, реагируя впоследствии с горными породами. Человек также выбрасывает в атмосферу серусодержащие соединения (в первую очередь S02), поэтому вокруг крупных городов и промышленных центров содержание сульфатов в осадках и водоемах повышено.

С атмосферными осадками в пресные воды попадает 63% сульфатов, причем 20% — прямой результат деятельности человека, 3% приносится с океанов ветром, а остальные 40% — следствие естественных процессов на суше. Континентальный сток сульфатов формируется за счет разложения органических остатков непосредственно в водоемах (в первую очередь, в торфяных болотах), окисления сульфидов (в первую очередь отложений пирита FeS2 и сульфида железа FeS, образовавшегося в зоне контакта железосодержащих вод с сероводородом) и растворения подземных залежей гипса CaSO4.

Сульфаты частично поглощаются живыми организмами. Они восстанавливают серу до степени окисления  –2 и встраивают ее в структуру белков. При концентрировании вод, содержащих сульфаты и ионы кальция, выпадает сульфат кальция:

 

Са2+ + SO42 – = CaSO4

 

что способствует выведению сульфатов в донные отложения. Сульфаты также могут восстановиться в донных отложениях до сульфидов или сероводорода.

 

Общая минерализация и ионная сила природной воды

 

Главные ионы в основном формируют ионный состав природной воды. Общее содержание солей в природной воде характеризуют таким параметром, как общая минерализация. Общая минерализация — это массовая концентрация всех растворенных в природной воде солей, при условии, что гидрокарбонаты превращаются в карбонаты. Обычно общую минерализацию определяют следующим образом: упаривают 1 л отфильтрованной воды, высушивают остаток при 105°С и взвешивают его. Общая минерализация природных вод колеблется от 10 –15 мг/л в дождевых водах, тундровых озерах и водах верховых болот до 200 г/л в бессточном Мертвом море и заливе Кара –Богаз –Гол.

 

Растворенные в воде соли вызывают осмотические явления, влияют на конфигурацию белков, а также скорости и равновесия ионных реакций. Это влияние обусловлено электростатическими взаимодействиями с участием ионов. Влияние электростатических взаимодействий на химические и биологические процессы в растворе определяется его ионной силой (измеряется в моль/л), вычисляемой по формуле:

 

 

 

где Z — ион, z — его заряд, [Z] — молярная концентрация иона Z.

Для природной воды ионную силу можно приближенно вычислить по формуле:

 

I= 0,5 • ([Na+] + [К+] + [Са2+] . 4 + [Mg2+] . 4 + [HCO3 –] + [Сl –] + [SO42 –] . 4),

 

где [Na+]  – молярная (моль/л) концентрация ионов Na+ и т.д.

Поскольку ионная сила зависит от квадрата заряда иона, в растворе сульфата магния (MgSO4) она будет в 4 раза больше, чем в растворе хлорида натрия (NaCl) той же молярной концентрации.

 

Влияние растворенных солей на конфигурацию белков. Белки состоят из сложных молекул и выполняют множество жизненно важных функций. Свойства молекул белков зависят от конфигурации, то есть от взаимного расположения тех или иных фрагментов молекулы в пространстве. Кроме того, разные участки белковой молекулы могут быть заряжены. Эти заряды притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, поддерживая, таким образом, определенную конфигурацию молекулы. Если ионы, находящиеся в растворе, скомпенсируют заряды на молекуле белка, то заряженные фрагменты перестанут притягиваться (отталкиваться). Молекула белка изменит конфигурацию, (как говорят, белок свернется) и потеряет свои функции. Из –за того, что в присутствии соли белок сворачивается лучше, чем в ее отсутствие (при одинаковой температуре) яйца варят в подсоленной воде, чтобы, если образуется трещина, вытекающий белок сразу же свернулся и закупорил трещину.

Влияние растворенных солей на осмотические явления. С осмотическими явлениями сталкивался всякий, кто посыпал фрукты сахаром или солил капусту. Если какой –нибудь сочный фрукт засыпать сахаром, то наружу будет выделяться сок. То же самое происходит с капустой, если посыпать ее солью. Причина в том, что любая клетка отделена от окружающего пространства полупроницаемой мембраной. Молекулы воды она пропускает, а ионы, как правило, нет. Если с двух сторон полупроницаемой мембраны находятся растворы с разной ионной силой, вода начнет переходить из раствора с меньшей ионной силой в раствор с большей, так, чтобы ионная сила растворов в итоге сравнялась.

Такое явление (проникновение растворителя из более разбавленного раствора в более концентрированный через полупроницаемую мембрану) называется осмосом (от греческого слова ώσμος — давление). Поэтому, если клетку, не имеющую специальных систем противодействия осмосу, поместить в рассол, внутриклеточная вода будет выходить наружу, и клетка останется без воды. Если же клетку поместить в дистиллированную воду, то вода снаружи начнет разбавлять внутриклеточную жидкость, то есть вода начнет втягиваться в клетку. Дело кончится тем, что клетка лопнет.

Влияние на взвеси. В природных водах часто существуют довольно устойчивые взвеси мелких частиц. Поверхность этих частиц часто несет на себе небольшой электростатический заряд, поэтому они не слипаются. Если же в растворе присутствуют соли, то их ионы нейтрализуют поверхностный заряд, частицы слипаются и выпадают в осадок. Именно поэтому морская вода обычно гораздо прозрачнее озерной.

Влияние на скорости и равновесия реакций с участием ионов. Если в раствор, в котором происходят реакции с участием заряженных частиц, ввести какой – либо фоновый электролит, то он будет «расталкивать» разноименные частицы и «стягивать» одноименные (см. рис.).

 

Поэтому при высокой ионной силе реакции, связанные с объединением разноименных ионов, затрудняются, а с объединением одноименных — наоборот, облегчаются. В результате происходит смещение равновесий с участием заряженных частиц. Например, электролитическая диссоциация в присутствии фонового электролита (то есть при высокой ионной силе раствора) облегчается. Поэтому в присутствии фоновых электролитов все кислоты становятся несколько сильнее, причем, чем больше заряд образующегося аниона, тем сильнее становится кислота.

Организмы и ионная сила внешней среды. Поскольку ионная сила влияет на конфигурацию белков, а также на скорости и равновесия реакций в организме, все организмы вынуждены поддерживать внутри себя постоянную ионную силу даже при колебании ионной силы внешней среды. Поэтому в любом организме существуют специальные механизмы поддержания постоянства ионной силы. Они сводятся либо к выкачиванию излишней воды, либо к выведению избытка солей. Чем больше разница ионной силы внутри и вне организма, тем больше энергии требуется для поддержания постоянства внутренней ионной силы. Поэтому для водных организмов существует некий диапазон ионной силы внешней среды, в котором эти организмы могут существовать.