Вода и ее применение в современных технологиях

Страница 6

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.