Многообразие форм миграции элементов в подземных водах, комплексообразование, закон действующих масс.

В коллоидной форме.

Миграция химических элементов происходит при значительных скоростях течения в поверхностных водах и высоких скоростях фильтрации в подземных водах. Размеры коллоидных частиц изменяются от 10^-6 до 10^-9 м. В отличие от взвешенных частиц, размер которых превышает 10^-6 м, коллоидные частицы в легкоподвижной водной среде участвуют в интенсивном броуновском движении и поэтому противостоят процессам седиментации в поле сил земного притяжения. Коагуляция (слипание частиц) их обычно происходит при сильном увеличении солености воды и появлении различно заряженных частиц. В форме коллоидов могут мигрировать в той или иной мере практически все химические элементы.

Во взвешенной форме.

Обычно мигрируют элементы, образующие устойчивые минеральные формы. В данной системе форма миграции зависит от степени разрушаемости кристаллической решётки минералов, а не от его химических свойств.

Истинно растворённые формы элементов.

Размер менее 10^-9м (по другим оценкам – менее 0, 45·10^-9 м).

Выделяют:

1). Нейтральные молекулы.

Широко распространены в подземных водах и нейтральные молекулы типа ZnSO4, CuCl2, CuSO4, NaOH и др.

2). Простые ионы.

В виде простых ионов мигрируют подавляющая часть макрокомпонентов (Na⁺, K⁺, Са2⁺, Mg2⁺, Cl^-, Вг^- и др.), а также многие микрокомпоненты (Cu2^+, Zn2⁺, Ni2⁺, Li⁺, Rb⁺, Cs⁺ и др.)

3). Комплексные ионы.

Комплексные ионы образуются в результате взаимодействия простых ионов разного заряда. При этом важную роль играют ионы комплексообразователи, обычно называемые лигандами. В качестве последних в природных водах чаще всего выступают отрицательно заряженные ионы: СО₃2-, SO₄2-, С1-, ОН-, Br-, F-, а также органические соединения.

Большинство металлов в водах находится в виде гидроксо комплексов, полимерных ионов и комплексных соединений с анионами.

В обычных подземных водах часто в значительных количествах присутствуют фосфатные, фторидные, сульфатные ионы и органические соединения, которые и выступают ведущими комплексообразователями.

Закон действующих масс

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции aA + bB → mM + nN математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

v = k · C_A^a · C_B^b,

где v - скорость реакции; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (при C_A = C_B = 1 моль/л k численно равна v); C_A и C_B - концентрации реагентов A и B; a и b - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Константа скорости химической реакции k определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

Закон действующих масс справедлив только для наиболее простых по своему механизму взаимодействий, протекающих в газах или в разбавленных растворах.

13. Реакции растворения/осаждения минералов, произведение растворимости.

Растворение в гидрогеохимии — процесс перевода в подземные воды из окружающей среды (горной породы) любого (минерального, органического, газов различного генезиса) вещества в ионной или молекулярной форме.

Предельно возможная концентрация вещества в растворе при нулевой разности химических потенциалов соответствует насыщению его при данных условиях. Эта величина называется растворимостью (для труднорастворимых веществ — произведением растворимости) и зависит кроме природы вещества от температуры, давления (слабо) и состава раствора.

Скорость растворении зависит от природы и минеральной формы вещества, давления, температуры, степени дисперсности, состава раствора и др. Однако определяется она скоростью самой медленной для данных условий реакции — так называемой лимитирующей скоростью. Чаще, говоря о растворении, имеют в виду процесс перевода в раствор твердого вещества горных пород. В этом случае различают растворение — полное разрушение кристаллической или аморфной структуры минералов и выщелачивание — комплекс процессов, приводящих к избирательному выводу из породы какого-либо, обычно наиболее растворимого в данных условиях, компонента. Например, при определенных условиях могут быть полностью растворены горные породы, состоящие из таких простых солей, как NaCl, KCI, Na2S04, Na2C03, CaS04 * 2 H20, CaC03 и др. В то же время горные породы, содержащие эти соли в качестве примесей, будут постепенно выщелачиваться подземными водами.

Осаждение:

1. Испарение. В связи с испарением воды увеличивается концентрация и по мере прохождения концентрации отметки ПР начинает выпадать осадок.

2. Галогенез — (испарение морских вод) формирование галогенных осадков в процессе концентрирования рассолов под влиянием испарения в открытых бассейнах.

3. Криогенное концентрирование (вымораживание) — процесс, характерный

для подземных вод зоны развития мерзлоты, особенно в слое сезонного промерзания—протаивания. Генезис ее связан с процессами вымораживания вод и пород, которые способствуют переводу чрезвычайно труднорастворимых кристаллических форм Si02 в более растворимую — аморфную. Поэтому, в частности, содержание H4Si04 в пробах, отобранных в начале лета, в период интенсивного таяния, существенно выше, чем в более поздних пробах. Совместное воздействие процессов испарения и вымораживания на состав природных растворов можно наблюдать на поверхностях многолетних наледей, где скапливается белый, желтоватый, сероватый порошкообразный налет солей — наименее растворимых в природных водах данного региона соединений (Si02, СаСО3, CaS04 * 2H20).

4. Высаливание — процесс выведения компонента из раствора при смешении его с другим раствором, содержащим одноименный ион. Например, при смешении растворов, содержащих хлориды щелочных и щелочно-земельных металлов, NaCl может выпадать в осадок при концентрации в растворе, значительно меньшей, чем концентрация его насыщения при данных температуре и давлении в дистиллированной воде.

5. Сорбционные процессы термодинамически обусловлены стремлением системы к минимуму энергии свободной поверхности и выражаются в компенсации сорбируемыми из раствора компонентами ненасыщенных валентных связей твердой фазы с образованием нового вещества (хемосорбция) или с сохранением химической индивидуальности сорбента и сорбата (физическая сорбция). Наилучшими сорбционными свойствами характеризуются высокодисперсные породы, минеральные и органические коллоиды. Это прежде всего глинистые минералы: каолинит, галлуазит, монтмориллонит и другие; свежеосажденные коллоидные осадки, например гидроокиси железа, алюминия, гели кремниевой кислоты; органические коллоиды, главным образом гумус.

Произведение растворимости – количественно характеризующая способность электролита растворяться. Зависит от t.