Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Al (ОН)°з + ОН* = Al (О Н)~4;
?Mg2* -f ОН" = MgOH+;
Mg2++H3SiO", = MgH3SiO+* ит. д.
Валовая концентрация каждого элемента в растворе над твердой фазой рассчитывается как сумма концентраций его различных форм:
mm = /TiH4SiOo4 + /TCH3siO-4 + ^H2SiO42- + • • • (15.3)
/to** = mMg2+ + mMg0H+ + wMgH3sio+4 + ? - • и т. д. ? (15.4)
Введение в систему новых количеств компонентов или новых компонентов приводит к взаимодействию между ними и первоначальным раствором, сформировавшимся над твердой фазой. Так, введение в систему углекислоты приводит, с одной стороны, к понижению щелочности раствора над твердой фазой и, следовательно, к понижению концентраций тех форм химических элементов, которые характерны для щелочной среды (H2SiO42-, H3SiO4" Al(OH)4- MgOH+ и т, п.), а с другой,— к ассоциации (комплексообразованию) между существующими в растворе частицами и частицами вводимых компонентов
Mg2++НСО-з = MgHCOV Mga+ + CO32" = MgCO°3 и т. д.
Принципы равновесной термодинамики приложены не только к изолированным и закрытым системам, но и к познанию яв
426
лений в открытых системах. Открытыми называют системы, обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Расчеты таких систем ведутся по обычной равновесной схеме. Рассмотрим один из примеров такого расчета. Если у нас имеется постоянный стационарный источник CO2 (например, открытая к атмосфере система подземных вод, взаимодействующих с алюмосиликатными. породами), то он будет постоянно возобновлять массу углекислоты, уходящую на образование НС03_(С02+ОН"==НС03~). Поступающая в систему углекислота будет приходить в равновесие со всеми соответствующими компонентами на всех стадиях взаимодействий в данной гидрогеохимической системе. Таким образом, в данной открытой системе выполняют обычный расчет равновесий при постоянном источнике вещества извне. В этом случае увеличение значений Т:Ж* имитирует постепенное увеличение степени взаимодействия в системе «вода — порода», происходящее при погружении подземных вод в гидрогеологической структуре. Поскольку алюмосиликатная порода содержит катионы сильных оснований и слабых кислот, при взаимодействии с водой, не содержащей CO2, реакция результирующего раствора должна иметь щелочный характер. Если же происходит взаимодействие водного раствора CO2 с алюмосиликатной породой, то при малых значениях Т:Ж раствор имеет рН<7. Затем происходит полная нейтрализация и при высоких величинах Т:Ж pH раствора становится больше 7. Причина заключается в том, что раствор при постоянном РСо2 имеет постоянную концентрацию H2CO3. При переходе катионов породы в раствор H2CO3 диссоциирует на HCO3" CO32" и H+ и нейтрализуется, но газовая фаза возобновляет «истраченные» H2CO3 частицы. При этом растет сумма карбонатных частиц в растворе при увеличении значений Т:Ж. Такой процесс невозможен в закрытой системе, когда сумма углекислых (карбонатных) форм равна const, т. е. когда система закрыта относительно углекислоты.
15.4.3. Составление физико-химической модели гидрогеохимических явлений .
Если физико-химическая модель строится на основе констант равновесия химических реакций (а это наиболее распространенный случай), то как необходимый компонент она включает следующую совокупность химических уравнений:
1. Уравнения баланса масс, суммирующие концентрации или активности элементов, присутствующих в подземных водах во всех вероятных для них миграционных формах. Например,
427
баланс масс для алюминия в кислых маломинерализованных водах, содержащих F", SO42-, должен быть записан как
SAl - [Al3+] + S [AlFn3-"]+S [Al (SO4)»««] + : + 2[А1(0Н)»з-*]+...,
а баланс масс для фтора
SF= [F-I+SIAIF««-«! + 2 [FeFn3"«] +
+ 2 [SiFn4-"] + 2 [BFn3-«] +...,-
где 2 [AlFn8-1»] = [AlF2+] + [AlF+,] + [AlP3] +...
2 [FeFn3-«] » [FeF2+] + [FeF+2] + [FeP3] +... и т. д.
2. Уравнения закона действующих масс для возможных, в системе химических реакций. Важнейшими из таких уравнений обычно являются:
а) уравнения, характеризующие процессы комплексообразования, например
AlF2+=Al3+ + F-; AlF+* = AlP+ +F"; AlP3 = AlF+2+F-;
б) уравнения, характеризующие процессы осаждения элементов в твердую фазу, например
А18+ + ЗОН- = А1(ОН)3(тв); ПР = аА|з+.а3он-.
3. Уравнения, связывающие концентрации компонентов с их активностями (например, уравнения Дебая — Хюккеля, Д. Дэвиса и др.).
Для составления модели необходимо: 1) определить заранее наиболее вероятные миграционные формы в подземных водах данного химического состава; 2) иметь термодинамическую информацию для полного описания системы. Эта информация по крайней мере должна включать: а) константы устойчивости учитываемых комплексных соединений; б) константы, характеризующие образование учитываемой твердой фазы; в)' уравнения, необходимые для вычисления коэффициентов активности ионов.
Рассмотрим особенности получения такой информации.
Совокупность вероятных миграционных форм элементов и, в частности, число учитываемых в модели комплексных соединений, должны следовать из анализа реальной гидрргеохими-
A1 =-
