Химические формы существования элементов в водных экосистемах

Любой элемент находится в ландшафте в нейтральной, катионной или анионной форме. Количество элемента в той или иной форме – величина вероятностная.

    Существует три основных типа поведения элементов в растворе в зависимости от рН:

-         тяжелые металлы – Zn, Pb, Cd, Ni, Hg – особенно подвижны в кислой среде;

-         амфотерные металлы – Se, Mo, As, Ge, U, V – образуют комплексные соединения (например, с участием карбонатного комплекса [HO3(CO3)3]4-; в составе таких комплексов элементы мигрируют по-разному;

-         элементы, особенно подвижные в щелочной среде.

По преобладающей форме содержания в растворе элементы делятся на:

-         катионогенные – Li, Na, K;

-         комплексообразователи – Mg, Al, Ga, Sb;

-         анионогенные – V, Cr, Mo, Cl, Br, I.

Рассмотрим химический состав природных вод и общие закономерности водной миграции.

Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных и коллоидных водных растворах. Важнейшими компонентами вод ландшафта являются растворенные газы – кислород O2, углекислый газ CO2, сероводород H2S.

Значительная часть растворенных веществ находится в виде ионов, среди которых преобладают Ca2+ > Mg2+ > Na+; HCO3- > SO42- > Cl-шестикомпонентныйсостав. Бывает, что такие соотношения нарушаются. Все воды содержат также ионы H+ и ОН-, роль которых в ландшафте, несмотря на низкое содержание (10-5-10-8 г/л), чрезвычайно велика. Содержание в водах остальных макроэлементов, а также всех микроэлементов очень невелико.

Кроме ионов, растворенные в воде вещества находятся в форме молекул и коллоидных частиц. Особенно велика роль растворенного органического вещества. Также важна миграция веществ во взвешенном состоянии. Почти все воды ландшафта содержат живое вещество.

Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. С этой точки зрения различают поровые водыи свободные гравитационные.

Для ландшафта, как правило, наиболее характерны неравновесные воды. Особенно это относится к гумидным ландшафтам. Живое вещество все время “накачивает” в воды свободную энергию, поддерживая неравновесность.

Водная миграция осуществляется диффузией, фильтрацией или смешанным путем. Диффузия имеет место в застойных или очень малоподвижных водах (болотные, иловые воды, растворы элювиальных почв, коры выветривания, водоносные горизонты). Диффузные процессы особенно характерны для глин, они нередко приводят к их обессоливанию (диффузное выщелачивание), при этом ионы мигрируют с различной скоростью (например, хлориды быстрее сульфатов).

Диффузия характеризуется малой скоростью, и в ландшафте с его активным водообменом имеет подчиненное значение. Здесь более распространена фильтрация, с которой связано растворение, ионный обмен (сорбция), осаждение солей и многие другие явления.

Поведение элементов в водных растворах определяется следующими параметрами:

-         щелочно-кислотные условия, рН;

-         окислительно-восстановительные условия (наличие или отсутствие свободного кислорода), Еh;

-         температура, давление (постоянны); обычно рассматривается температура 25°С;

-         сорбционная способность – возможность элемента поглощать минеральные или органические частицы или отдавать их в результате обменных процессов;

-         биота.

Рассмотрим щелочно-кислотные условия.

    Концентрацию иона водорода ввиду малых абсолютных величин выражают не в г/л, а в виде отрицательного логарифма концентрации рН. По величине рН воды делятся на четыре группы:

-         сильнокислые (рН < 3) – связаны с существованием в водах свободной серной кислоты      (в вулканических ландшафтах – соляной кислоты);

-         слабокислые (рН 3-6,5) – связаны с органическими кислотами и углекислым газом;

-         нейтральные и слабощелочные (рН 6,5-8,5) – связаны с наличием ионов кальция и HCO3-;

-         сильнощелочные (рН > 8,5) – связаны с присутствием соды.

Элементы, образующие катионы – катионогенные (Ca, Mg, Na, K, Sr, Rb, Cu, Zn, Cd) более подвижны в кислых средах; анионогенныеэлементы (S, Cl, N, C, P, Se, Mo, Si, As, V, Cr, Br, I) –    в щелочных средах. Те и другие менее подвижны в нейтральных водах. Миграция Na, Li, Br, I почти не зависит от рН.

Показателем подвижности элемента в растворе является рН начала выпадения его гидрокидов из децинормальных растворов. В соответствии со значениями этого показателя, двухвалентное железо обнаруживается в менее кислых водах, чем трехвалентное; гидроксид магния выпадает из раствора только в сильнощелочных водах.

Отсюда следует интенсивная миграция двухвалентного железа в болотах тундры и тайги (кислые воды) и слабая в болотах степей и пустынь (слабощелочные воды). Для большинства элементов с ростом температуры рН осаждения гидроксида повышается. Поэтому в жарком климате обычно миграционная способность элементов выше. Также рН осаждения гидроксида растет с уменьшением концентрации. Поэтому для редких элементов роль рН осаждения гидроксидов мала или вообще не имеет значения.

Большинство металлов находится в природных водах не в виде простых ионов (Fe2+, Fe3+        и т.д.), а в виде различных комплексов ионов типа Fe(OH)2+, Fe(OH)2+ и т.д. В общем образование растворимых комплексных соединений повышает рН выпадения гидроксида и увеличивает миграционную способность элементов. Миграция металлов в форме органических комплексов особенно характерна для тайги, тундры и других ландшафтов влажного климата.

Органические соединения живых организмов и гумус обладают буферной способностью усреднять сильнокислую и сильнощелочную среды.

Кислая (слабокислая) среда в ландшафте возникает в основном при разложении органических веществ, обогащающих воды угольной кислотой, органическими кислотами. Сильнокислая среда создается при окислении элементарной серы и дисульфидов (в месторождениях серы, угля, промышленных районах):

MeS + O2 + H2O ® MeSO4 + H2SO4.

Известную роль в подкислении вод играют атмосферные осадки, особенно в вулканических районах и промышленных центрах.

Поскольку в литосфере кларки катионогенных элементов выше, чем анионогенных, кислые воды, мигрируя по почвам и породам, довольно быстро нейтрализуются. В результате в почвах, корах выветривания, водоносных горизонтах по мере фильтрации вод образуется кислотно-щелочная зональность (дифференциация). Кислая среда в верхних горизонтах порождает щелочную в нижних.

В местах, где на коротких расстояниях кислая среда сменяется щелочной, возникает щелочной барьер, здесь осаждаются катионогенные элементы. Если щелочная среда сменяется кислой, образуется кислый барьер, где осаждаются анионогенные элементы (менее характерен).

Возможно существование двухсторонних геохимических барьеров(такой барьер, в частности, был открыт Касимовым на границе березовых колков казахстанских лесостепей).

Будет полезно почитать по теме: