Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Как совокупность геохимических явлений, 'Происходящих при движении подземных вод, массоперенос может быть изучен и познан на осно-ве положений и методов физико-химической гидродинамики и кинетики, изучающих взаимовлияния движения жидкостей и физико-химических процессов, а также скорость, механизм и время протекания этих процессов.
Уже в 60-е годы стало ясно, что количественное познание процессов формирования химического состава -подземных вод вне теории -массопереноса невозможно и .поэтому с этого времени началось активное -приложение теории и методов физико-химической гидродинамики и кинетики к решению частных л общих задач гидрогеохимии. Такое приложение связано с именами Н. Н. Верипина, В. М. Шестакова, Л. Лукнера, Г. Хелгесона, С. И. Смирнова, Е. В. Добровольского, В. И. Лялько
и яр-
5.1. ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ КАК ДВИЖУЩАЯ СИЛА • ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Химический состав подземных вод -формируется вследствие комплекса химических процессов, стремящихся привести его. в равновесие со средой. Общей причиной протекания этих процессов является существование ,градиентов концентраций, темшератур и давлений как в собственно водной системе, так и в сложной /гетерогенной системе «вода — порода — газ». Вследствие существования IB макросистемах земной коры таких градиентов формируются концентрационные, температурные,
133
барические, гравитационные « другие шля. Для решения вопросов формирования химического состава подземных вод решающее значение «имеют концентрационные -поля, а температурные, барические и другие по отношению к концентрационным нолям .имеют подчиненное действие, т. е. это факторы второго порядка.
В соответствии с положениями физико-химической гидродинамики роль силы в формировании таких полей выполняет градиент химического потенциала. Понятие химического потенциала было шедено IB науку американским ученым Дж. Гиббсом в 1875 г.
Для нас важно, что химический потенциал — это функция, которая определяет направление и предел самопроизвольного процесса « процесса перехода компонента из одной фазы в другую при их взаимодействиях. Подобно тому как температура является движущей силой при теплопередаче, так и химический потенциал является движущей силой при переносе маосы. По мере протекания химического процесса химический потенциал выравнивается и в момент наступления равновесия он становится одинаковым во всех сосуществующих фазах. Это означает, что, если две фазы системы находятся в отношении какого-либо компонента в состоянии равновесия, то его химические потенциалы в этих фазах одинаковы, градиент химического потенциала в системе отсутствует и (массоперенос не происходит. Таким образом, если гадрогеохимическая система находится в состоянии равновесия, то несмотря на существование IB ней обмена, массоперенос отсутствует.
Для систем при T1 P=const химический потенциал выражается через свободную энергию G, отнесенную к числу молей вещества. Для чистого вещества он равен |х=0©бщ/л (где Ообщ — свободная энергия; п — число молей вещества).
В смеси веществ, содержащих пи п2, л3, щ и т. д. молен различных компонентов, химический потенциал вещества уже равен производной .н
Это выражение означает, что химический потенциал — это приращение свободной энергии данной фазы при введении в нее дополнительного количества молей t-ro компонента яри постоянных температуре и давлении, а также постоянных количествах каждого та остальных компонентов, содержащихся в этой фазе. При этом соответственно [17]
где T\iidni—сумма произведений химического потенциала камлюнентов на изменение числа их молей. Эта величина опре
134
деляет изменение свободной энергии, связанное с изменением, количественного содержания компонентов.
.Известно (см. гл. 2), что термодинамическим условием воз--, можности самопроизвольного течения !процесса в прямом на* правлении для любого гомогенного или гетерогенного хнмиче* окого процесса является выполнение неравенства AG<0; применительно к химическому потенциалу это означает, что 2|ijdJij«h Соответственно условием равновесия является равенство 2^ал/=0.
Понятие химического потенциала означает, что в гетерогенных системах переход данного компонента может происходить самопроизвольно только из фазы, в которой химический потенциал этого компонента больше в ту фазу; .в которой химический потенциал компонента меньше. Такой переход сопровождается уменьшением химического потенциала компонента в первой фазе и его увеличением во второй. В результате разность между химическими потенциалами данного компонента-в этих двух фазах уменьшается и при достижении равновесия химический потенциал этого компонента становится одинако*-вым в обеих фазах. Массоперенос на этом.заканчивается.
Важно знать, что непосредственно химический потенциал в гюдрогвохимичеаких системах измерить нельзя и поэтому для нас он имеет скорее методологическое значение. Но, исходя из изложенного, о существовании градиента химического потенциала компонента в частной гидрогеохимичеакой оистеме можно судить на основании расчета AG. Критерием существования градиента химического потенциала в гвдрогеохимичеокой системе и протекания в ней самопроизвольного процесса (напри^ мер, перехода компонента из твердой фазы в жидкую фазу) является выполнение неравенства AG<0.
