Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Осознание этого положения привело к тому, что в последние 20—30 лет в СССР и за рубежом происходило активное нарастание темпов количественного познания гидрогеохимических явлений на основе методов химической термодинамики, физико-химической гидродинамики и кинетики. Имеются различные конечные задачи такого количественного изучения процессов формирования химического состава подземных вод, начиная от оценки качества подземных вод и кончая установлением геологической роли подземных вод и прогноза их рудообразующей деятельности. Но в значительной степени такое количественное изучение геохимических процессов формирования химического состава подземных вод связано с необходимостью решения экологических проблем, которые в большинстве стран в настоящее время приобрели жизненно важное значение. В своей сущности гидрогеохимия является научной основой экологических проблем, поскольку одна из основных задач современных экологи-
п ческих исследований — сохранение природных вод оптимального для их использования химического состава.
В итоге количественного познания гидрогеохимических явлений на основе методов точных наук созданы количественные модели геохимических процессов, реализация которых с помощью ЭВМ в настоящее время позволяет решать различные гидрогеохимические проблемы — от прогноза изменения химического состава подземных вод до выполнения различных вычислительных экспериментов для управления качеством этих вод. В гидрогеохимии разработано большое число алгоритмов и программных средств для решения этих проблем.
Будущее в геохимии подземных вод принадлежит специалистам, умеющим сочетать познания в классической геологии и гидрогеологии с умением использовать методы точных наук и ЭВМ в качестве инструмента углубленного и объективного изучения гидрогеохимических явлений. Необходимость такого сочетания становится особенно понятной, если вспомнить, что, применяя методы точных наук, мы оперируем с моделями, представляющими часто упрощенное, учитывающее лишь часть причинно-следственных связей, отражение вероятностно-детерминированной гидрогеохимической реальности. Между тем, гидрогеохимические процессы протекают в сложных многокомпонентных системах, а сами гидрогеохимические явления обладают по сравнению с упрощенными модельными физико-химическими системами значительно большей неопределенностью. Отсюда возникает необходимость творческого подхода к изучаемым явлениям и уяснения того факта, что главным критерием достоверности наших выводов и прогнозов является практика.
Часть первая
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ГИДРОГЕОХИМИЯ
Глава I
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ-СЛОЖНЫЕ ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ
1.1. СТРУКТУРА ВОДЫ И ЕЕ АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
С физико-химической точки зрения подземные воды представляют собой водные растворы, состоящие из воды и растворенных веществ. Существует целый ряд представлений о структуре воды и водных растворов.
Структура молекулы воды. С современных позиций форма молекулы воды НгО может быть представлена в виде электронного облака (рис. 1.1). Атом кислорода расположен в его центре, а два атома водорода с положительными зарядами — в противоположных углах нижней грани условного куба. Угол между электронными орбиталями атомов водорода составляет 105°: Расстояние между атомами кислорода и водорода ^0,1 нм. Известно, что атом кислорода имеет восемь электронов, два электрона находятся вблизи его ядра, два связываются в молекуле воды с атомами водорода, а две неподе-ленные пары, электронов образуют ветви, протягивающиеся к углам верхней грани куба. Структуру молекулы воды можно представить в виде тетраэдра (рис. 1.2), в центре которого находится ядро атома кислорода, на двух вершинах — положительно заряженные атомы водорода и на двух других вершинах— по два иеподеленных электрона. Молекула воды чрезвычайно устойчива, так как атомы кислорода и водорода связаны друг с другом ковалентно (H—О). Указанное распределение положительного и отрицательного зарядов в молекуле воды обусловливает большой дипольный момент молекулы воды, что имеет важное значение при взаимодействии молекул друг с другом и с растворенными веществами.
Каждая молекула воды взаимодействует с четырьмя соседними молекулами в вершинах электронных орбиталей (или в вершинах условного тетраэдра) путем электрического взаимодействия между водородом одной молекулы и неподеленной парой электронов — другой (О—Н...О). Таким образом возникают водородные связи между молекулами воды, энергия которых составляет ~19 кДж/моль, а длина связи (расстояние между атомами кислорода друх соседних молекул)—0,3 нм (рис. 1.3).
Рас. J.l. Электронное облако моле- Рис. 1.2. Электронные орбнтали и кулы воды тетраэдрическая структура молеку-
лы воды
. Межмолекулярные структуры воды. Водородные связи между молекулами воды и возникающие пространственные структуры молекул определяют межмолекулярную структуру воды, которая и служит одной из причин ее аномальных свойств. Наиболее простой структурой обладает парообразная вода, состоящая из мономеров, т. е. одиночных молекул H2O. Чтобы превратить воду в пар, требуется затратить много эн(ергии. При этом разрываются все водородные межмолекулярные связи.
