Любая природная вода раствор

Гидрогеохимия / Тема 2 начало

Любая природная вода содержит растворенные вещества; дистиллированная вода в природных условиях не встречается. Исключением может быть ювенильная вода, однако, представления о химическом и газовом составе ювенильных вод, масштабах распространения их в природе и т. д. далеко не однозначны, зачастую дискуссионны и противоречивы. Это и понятно, поскольку ювенильные воды формируются в глубоких земных недрах и процесс их образования недоступен прямому наблюдению, а на поверхность они поступают в сильно измененном виде.

Термин «ювенильные» воды впервые был предложен в 1902 году Э. Зюссом для вод, образовавшихся в глубоких недрах земли в результате дегазации магматических расплавов. При этом подчеркивалось, что это воды новые, ранее не принадлежавшие гидросфере и не участвовавшие ни в каких видах водных круговоротов Земли. Позже эта категория многократно уточнялась и модифицировалась многими исследователями [Саваренский, 1935; Семихатов, 1954; Ланге, 1969; Карцев, 1972; Самарина, 1977; Пиннекер, 1980; Ежов, 1981; Мартынова, 1983; Хаустов, 2011 и др.].

Таким образом, смысл термина ювенильная вода существенно трансформировался, в связи с чем можно сделать заключение: понятие ювенильные воды в настоящее время не имеют четкого и конкретного содержания.

В связи с неясностью в толковании категории «ювенильные воды» В.В. Хаустовым (2011) предлагается ввести понятие ювенильного водного флюида (ЮВФ).

ЮВФ представляет собой первичную, в понимании Э. Зюсса, воду, зарождение которой осуществляется в верхнемантийных, а возможно и более глубоких очагах плавления (плюмы, «горячие точки»), которая мигрирует в сторону поверхности Земли вместе с сопутствующими летучими, в первую очередь газами.

Синтез воды, входящей в состав ЮВФ, сопряжен с процессом плавления мантии при рифтогенезе или же связан с более глубокой («холодной») дегазацией Земли. Прямых диагностических признаков для воды, входящей в состав ЮВФ, на сегодня не существует, так как по сравнению с другими водами он изучен гораздо хуже. Тем не менее, современная наука, безусловно, располагает определенной информацией о целом наборе характерных признаков, касающихся ЮВФ.

Возможности идентификации ЮВФ значительно расширяются за счет изучения изотопных соотношений его газовой составляющей, наиболее информативным и достоверным здесь считается изотопное соотношение 3 Не/ 4 Не («мантийная метка» — 3 Не/ 4 Не=R~10 -5 ) [Якуцени, 1968; Мамырин, Толстихин, 1981; Kyser, Rison, 1982; Lupton, 1983; O’Nions, 1984 и др.; Поляк, 1988; Прасолов, 1990 и др.].

Что же касается минерализации и солевого состава ювенильных вод, то в гидрогеохимии трудно найти еще один вопрос, по поводу которого мнения ученых были бы столь же противоречивы. Одна группа исследовате­лей считает их крепкими рассолами [Дерпгольц, Гавриленко, 1971; Капченко, 1966 и др.], другая — водами с очень низкой минерализацией [Мартынова, Грачев, 1980; Карцев, 1972; Ежов, 1976; Розин, 1977 и др. ], третья настаивает на их близости с водой современного океана. [Rubey, 1964; Валяшко, 1966; Виноградов, 1989; Когарко, Рябчиков, 1978 и др.]. Наиболее убедительной В.В. Хаустову(2011) представляется гипотеза М.А. Мартыновой, поскольку в момент своего зарождения ювенильные воды не могут содержать в себе растворенных веществ.

Природная вода представляет собой водный раствор, т. е. дисперсную систему. В этом растворе чистая вода является растворителем (диспергатором), а содержащиеся в ней вещества — растворенными компонентами (дисперсной фазой).

«Чистую» воду можно рассматривать как полимеризованную жидкость с формулой (Н₂О)n. Степень полимеризации n зависит от температуры и давления. Так называемые кластеры (агрегированные полимолекулы), встречающиеся наряду с отдельными молекулами воды, обычно имеют при 0°С структурную формулу H₁₈₀O₉₀, а при 70°С – Н₅₀O₂₅ [57 Holting В. Hydrogeologie — Einfuhrung in die Allgemeine und Angewandle Hydrogeologie. Stuttgart, 1980.].

Как показывают характеристики электропроводности, «чистая» вода также диссоциирует по схеме

Часто упрощенно вместо Н₃О + записывают Н + ; тогда ионное произведение воды K_в будет иметь вид: K_в = c_н+ c_ОH—= [Н + ] [OН — ]. Величина K_в зависит от температуры и при 25°С составляет 1,0-10 -14 моль 2 /л 2 .

Водородный ион (H + ).

Таким образом, диссоциация воды, представленная уравнением

, (1)

предопределяет присутствие в природном растворе ионов водорода и гидроксил-иона.

Концентрации ионов водорода и гидроксил-иона в нейтральной среде составляют 10-7 г-моль/л; поскольку ионная масса водорода равна 1, эта величина равна 10 -7 г/л, или 10 -4 мг/л. Концентрации ионов водорода из-за их малых значений принято выражать в логарифмической форме .

Для большинства природных вод pH изменяется в пределах от 6 до 8. Воды с низкими значениями pH (иногда до 2–3) встречаются в зонах окисления сульфидных руд, обычно обогащенных серной кислотой, образующейся по реакциям типа

; (2)

. (3)

Концентрация ионов водорода в таких водах может достигать десятков миллиграммов на литр; они активно взаимодействуют с карбонатными породами, переносят на большие расстояния ионы металлов.

Природные воды, представляющие собой растворы соляной или серной кислоты, встречаются в кратерах некоторых вулканов на Камчатке и Курильских островах. Содержание ионов водорода в таких водах может достигать десятков и даже сотен миллиграммов на литр, а pH снижаться до 1,5–2 и ниже.

Гидроксил-ион (OH – ). В большинстве природных вод концентрации гидроксил-иона, определяемые значениями , очень малы. Воды с повышенной щелочностью характерны для содовых озер, для зон выщелачивания щелочных пород. В таких водах pH может повышаться до 10–11. В исключительных случаях могут формироваться воды с pH, достигающей 12,3–12,5. Соответственно концентрация гидроксил-иона в таких водах достигает уникального значения – около 400 мг/л. Такие воды встречены в Иордании в источниках бассейна р. Ярмук и формируются, видимо, при растворении редкого минерала портландита , образующегося при термическом разложении карбонатных пород.

2.2. Изотопный состав природной воды

Благодаря работам Вл.Ив. Ферронского, Иг. Нест. Толстихина по изотопии воды нам известно, что в природе вода, в основном, представляет собой смесь девяти различных молекул (Н₂ 16 О, Н₂ 17 О, Н₂ 18 О, HD 16 О, HD 17 О, HD 18 О, D₂ 16 О, D₂ 17 О, D₂ 18 О), отличающихся изотопами водорода ( 1 H— протий, 2 H(D)—дейтерий и 3 Н(Т)—тритий) и кислорода ( 16 О, 17 О и 18 О).

1 H – протий – 99,98 %

2 Н (D) – дейтерий – 0,02 %

3 Н (Т) – тритий – 3 . 10 -16 %

На Земле 3-10 кг ест. трития. Период полураспада 12,26 лет

16 О; 17 О; 18 О – стабильные изотопы кислорода;

14 О; 15 О; 19 О – короткоживущие;

SMOW – Standard of Marine Ocean Water D – 0,0158 о /_оо; 18 О – 0, 1985 о /_оо

99,8 % молекул воды имеют массу 18( 1 H 16 О 1 H). Вода с формулами D₂ 16 О, D₂ 17 О, D2 18 О называется тяжелой (ее получают при длительном электролизе обычной воды) D₂O: плотность – 1,1 г/см 3 ; t_плавл – 3,81 о ; t_кип – 101,4 о ; плотность _макс при 11,3 о

Прямая Крейга: D = 8  18 O + 10 о /_оо

Вода, содержащая сверхтяжелый изотоп водорода, — тритий (образуется в процессах ядерного распада)—называется сверхтяжелой (Т₂О)

[5 Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология. М., Высшая школа, 1979].

С участием трития, образующегося также в атмосфере под действием космического излучения, происходит примерно10 -20 частей образования 3 Н 16 О 1 Н на одну часть Н₂О. Эта водная молекула играет важную роль в качестве мигранта-трассера для определения возраста «молодых» вод зоны активного водообмена.

Т₂О:  – 1,33 г/см 3 ; t о _пл – 9 о ; t о _кип 104 о ; Ест. фон 3-5 Т.Е.; Теперь: 2 Т.Е.

Источник

Тема 1.4. Свойства и применение воды. Растворы
план-конспект урока

Опорный конспект по теме » Вода . Свойства воды . Водные растворы » для самостоятельного изучения и подготовки к уроку. . Водные растворы . Вода — жизненная среда всех живых организмов. Человек живет на суше, но его организм на 65-70% состоит из воды .

Скачать:

Вложение	Размер
Вода. Свойства воды. Растворы	34.06 КБ
Кроссворд Свойства воды	15.37 КБ
Презентация .Вода	1.02 МБ
Дополнительный материал к уроку	901.91 КБ
Домашнее задание. Ответить на вопросы	13.1 КБ

Предварительный просмотр:

Тема урока: «Вода. Свойства воды. Водные растворы»

Чистая вода — прозрачная жидкость, без цвета, вкуса и запаха, плотность 1 кг/л, температура кипения 100 °С при 1 атм, температура плавления 0°С. У воды высокая удельная теплоемкость — 4,12 кДж/кг К), поэтому она долго нагревается и медленно остывает. У воды большая теплота испарения. На испарение 1 г воды требуется 2,25 кДж теплоты.

Атомы Н и О в молекуле воды соединены полярными ковалентными связями. На атоме водорода в молекуле Н 2 О имеется небольшой положительный заряд δ+, а на атоме кислорода — небольшой отрицательный δ-. Поскольку молекула воды имеет уголковое строение, она представляет собой двухполюсную частицу — диполь : . Между молекулами воды существует межмолекулярная водородная связь: Н 2 O ··· Н 2 O .

Вода реагирует со многими металлами по типу реакций замещения.

С наиболее активными металлами — от Li по Аl в ряду активности металлов при комнатной температуре протекают реакции замещения одного атома Н в молекуле Н 2 O . С магнием реакция идет при нагревании, с алюминием — после снятия защитной оксидной пленки. В реакции образуются гидроксиды металлов — соединения, содержащие гидроксогруппу ОН, и водород:

2Li + 2Н 2 O = 2LiOH + Н 2 ↑,
Са + 2Н 2 O = Са(ОН) 2 + Н 2 ↑.

Менее активные металлы — Zn, Mo, W, Fe — взаимодействуют с водой при высокой температуре (400-600 °С). В этих реакциях образуются оксиды металлов и водород:

Zn + Н 2 O = ZnO + Н 2 ↑,
3Fe + 4Н 2 O = Fe 3 O 4 + 4Н 2 ↑

Вода реагирует с оксидами активных металлов (реакция гидратации). При этом получаются растворимые в воде гидроксиды металлов — щелочи :

Na 2 O + Н 2 O = 2NaOH,
СаО + Н 2 O = Са(ОН) 2 .

Вода соединяется с оксидами многих неметаллов. При этом получаются растворимые в воде гидроксиды неметаллов — кислоты :

СO 2 + Н 2 O = Н 2 СO 3 ,
SO 3 + Н 2 O = H 2 SO 4 .

Гидролиз — это обратимая реакция обмена, например соли с водой. При этом происходит расщепление молекул воды на Н и ОН, которые входят в состав двух новых веществ:

К 2 СO 3 + Н 2 O = КНСО 3 + КОН,
РСl 3 + ЗН 2 O = Н 3 РО 3 + ЗНСl.

Вода в жизнедеятельности человека. Водные растворы

Вода — жизненная среда всех живых организмов. Человек живет на суше, но его организм на 65-70% состоит из воды. Все процессы в живой клетке осуществляются в водной среде. В сутки человеку необходимо 2 л питьевой воды. Кроме того, вода нужна, чтобы варить пищу, стирать белье, умываться. Большие количества пресной воды расходуются в промышленности и сельском хозяйстве (растворитель). Отметим, что соленая вода морей и океанов для этих целей непригодна. Доля пресной воды в общих запасах воды на Земле составляет менее 3% от всех водных ресурсов.

Вода — химический реагент. Соединяясь с оксидами активных металлов, вода образует щелочи, а в реакциях с оксидами неметаллов дает кислоты — два больших и важных в деятельности человека класса веществ. Один из способов синтеза этилового спирта (этанола) C 2 H 5 OH — реакция этилена С 2 Н 4 с водой:

С 2 Н 4 + Н 2 O = С 2 Н 5 ОН.

Жесткость воды — это свойства воды, обусловленные содержанием в ней ионов Са 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ . Если концентрация этих ионов велика, то воду называют жесткой, если мала — мягкой. При стирке с мылом в жесткой воде образуются осадки, часть мыла уходит в осадок и ухудшается качество ткани. Такая вода непригодна для охлаждения в радиаторах автомобилей, в паровых котлах и стиральных машинах. При нагревании жесткой воды образуется накипь, которая забивает трубы и ускоряет изнашивание механизмов. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Временная или карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Са(НСО 3 ) 2 , магния Mg(HCO 3 ) 2 и железа Fe(HCO 3 ) 2 . При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка карбоната, и жесткость воды снижается:

Са(НСO 3 ) 2 = СаСО 3 ↓ + СO 2 ↓ + Н 2 O,
Fe(HCO 3 ) 2 = FeCO 3 ↓ + CO 2 ↓ + Н 2 O.

Другой способ устранения временной жесткости — действие известкового молока или соды:

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней хлоридов, сульфатов и других растворимых солей кальция, магния и железа. Ее устраняют действием соды:

СаСl 2 + Na 2 CO 3 = СаСO 3 ↓ + 2NaCl.

Водный раствор — разновидность раствора, в котором растворителем служит вода. Будучи превосходным растворителем, именно вода используется для приготовления большинства растворов в химии.

Вещества, которые плохо растворяются в воде, называют гидрофобными (‘боящимися воды’), а хорошо в ней растворяющиеся — гидрофильными (‘любящими воду’). Примером типичного гидрофильного соединения может служить хлорид натрия (поваренная соль).

Если вещество образует водный раствор, который хорошо проводит электрический ток, то он называется сильным электролитом; в противном случае — слабым.

Источник