Формирование железистых подземных вод - Труфанов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Огромную роль в поведении химических элементов в зоне гипергене-за играют размеры атомов и ионов. Они в известной степени определяют растворимость и формы миграции железа в водах (ионные радиусы для двух- и трехвалентного железа соответственно равны 0,80 и 0,67 А [26]). При уменьшении радиуса положительного иона и увеличении его заряда, указывает Б. Мейсон [99], с большой силой проявляются признаки кислотности соответствующих окислов, а при обратных соотношениях радиусов и зарядов ионов усиливаются основные свойства. Так, признаки щелочности, которыми обладает двухвалентное железо, предопределяют, например, большую миграционную способность его (для простых ионов) по сравнению с трехвалентным железом.
На поведение железа в природных водах оказывает влияние характер связей его с химическими элементами, что определяется потенциалами 3. За к. 746 33
ионизации и величинами электроотрицательностей ионов железа. Потенциал ионизации железа — энергия отрыва электрона от атома или иона с превращением последнего в положительный ион. Энергия притяжения атомом железа валентных электронов других атомов или сложных ионов является его электроотрицательностью. Ионный потенциал и электроотрицательность как энергетические показатели часто используются для характеристики химических свойств элементов и форм их нахождения в природных водах [70, 164, 165]. Накопление железа в подземных водах определяют не только его геохимические параметры, физико-химические свойства среды (Eh, pH, температура и др.), но и многочисленные процессы, протекающие в ней (комплексообразование и гидролиз, окисление и восстановление и др.).
Комплексообразование и гидролиз. Комплексообразование в природных водах состоит в замещении молекул гидратной оболочки вокруг свободного катиона железа на другие лиганды, что в сущности является как бы "оттягиванием" электронов от лигандов к железу как комплексообразователю. Процессы комплексообразования имеют большое значение в гидрогеохимии металлов вообще и железа в частности, так как образование комплексов изменяет их миграционную способность. Исключительный интерес для оценки подвижности железа в гипергенных условиях имеют реакции гидролиза, которые можно рассматривать в данном случае как образование гидроксокомплексов (FeOH2+, Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeOJ*, FeOH+, Fe(OH)3-*, Fe(OH)2, Fe(OH)4*-*)- Концентрации гидролитических комплексов железа в водном растворе определяются величиной pH, т.е. концентрацией гидроксильных ионов. Содержание растворенных, но недиссоциированных молекул Fe(OH)2 и Fe(OH) 3 остается неизменным при всех значениях pH и зависит лишь от констант равновесия между растворенным железом и его твердой фазой (т.е. определяется ее растворимостью).
В природных водах, содержащих кислород, ионы двухвалентного железа окисляются, подвергаются гидролизу и выпадают в осадок. Железо в значительных концентрациях для таких вод не характерно, однако даже в поверхностных водотоках, наиболее доступных для растворенного кислорода, содержание железа достигает 5,7—9,1 мг/л [144, 154]. Это противоречие можно объяснить комплексообразованием железа с различными лигандами, среди которых ведущая роль принадлежит анионам органической природы. Среди неорганических лигандов, кроме OH-выделяются CT1SO4-, F-, HCO3 и др. Константы устойчивости аммонийных, сульфатных и хлоридных комплексов невысокие (Ig Ky'соответственно равны FeNH|+ - 1,4; FeSO4 - 4,17; FeCI2+ - 1,48), поэтому в пределах обычных концентраций их в водах комплексы железа с этими лигандами большого значения не имеют. Однако в литературе есть указания, что образование хлоркомплексов железа FeCT начинается с увеличения концентрации СГ от 15 мг/л [150]. Константы устойчивости бикар-бонатных комплексов железа, приводимые в литературе, имеют величины порядка 102— 10s [182, 124], т.е. не превышают величины константы устойчивости сульфидных комплексов. Значит, в пределах концентрации бикарбонатных ионов, характерных для питьевых вод, комплексы их с растворенным железом не могут преобладать в растворе. Расчеты,проведенные по методу С.А. Брусиловского [17], показывают, что в питьевых
'Образуются лишь при высокой концентрации щелочи в растворе. **По К.Б. Яцимирскому и В.П. Васильеву [166].
34
гидрокарбонатных кальциевых водах с минерализацией до 300 мг/л и содержанием железа 25 мг/л бикарбонатные комплексы последнего составляют лишь 1,05% от общей суммы растворенного железа.
Достаточно прочные комплексы железо образует с ионами фосфорной кислоты (FeHPOi, Fe(H2PO4I4).
Фторидные комплексы железа, наличие которых возможно в гидрокарбонатных железистых водах, не могут оказать существенного влияния на растворимость железа из-за незначительного содержания фтора в пресных подземных водах грунтово-артезианских бассейнов юга Дальнего Востока (~ 0,2 мг/л). Однако на миграционную способность трехвалентного иона железа фторидные комплексы могут оказать некоторое влияние. Так, фторидные комплексы Fe3+ могут быть нейтральными молекулами, а также катионного и анионного типа: FeF2+, FeF2, FeF3, FeF4. FeFl". FeFl"-
