РОЗДІЛ 2
СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ФУНКЦІЇ ГІДРОХІМІЧНОЇ СИСТЕМИ
Гідрохімічна система як і усі інші природні системи наділена певними властивостями і виконує ряд важливих функцій у геосистемі.
Однією з найхарактерніших властивостей є її поліструктурність. В межах гідрохімічної системи можна виділити декілька типів одночасно існуючих структур, які є проявом самоорганізації компонентів системи під впливом комплеку зовнішніх та внутрішніх факторів.
По відношенню до гідрохімічних систем можна розглядати три типи структурованості:
1) речовинно-агрегатна;
2) процесно-функціональна;
3) просторова (горизонтальна та вертикальна).
Специфіка води як рідини полягає в тому, що вона займає проміжне положення між газом і твердим тілом, запозичивши від газів лабільність, а від твердих тіл - сильну взаємодію часток і моживість утворювати структури.
Розчинення твердої речовини у воді супроводжується її активацією, тобто сильним подрібненням аж до молекулярного рівня.
Складні структури твердого тіла не тільки часто зберігаються в розчині, але і ускладнюються.
Добре відомо, що іони CO3- , NO3- , SO4-, комплексні катіони типу [Co(NH3)6]3+ твердих солей і т.п. переходять в розчин без змін.
Таким чином, системи на основі розчинів є наступним важливим ступенем еволюції матерії, що поєднує у собі активність з досить розвинутою речовинно-агрегатною структурою.
У результаті взаємодії води з геологічними породами, грунтами атмосферою, та з речовинами, що надходять з антропогенних джерел, утворюються процесно-функціональні структури гідрохімічних систем. Ці структури відомі як ряд речовинно-енергетичних підсистем природних вод, що регулюють їх хімічний склад та динамічну хімічну стабільність. Серед них - карбонатно-кальцієва, карбонатно-магнієва та інші важливі підсистеми.
Окрім цього, гідрохімічна система як цілісно-функціональна геосистема структурована в просторі. Вона має як горизонтальні так і вертикальні просторові структури.
Мінливість природних та антропогенних факторів формують мінливість параметрів та структури гідрохімічної системи. В той же час характерною рисою розвитку гідрохімічної системи є її стійкість, здатність до відновлення стану рівноваги, у якому система перебувала до моменту впливу.
Важливою функцією, яку виконує гідрохімічна система, є перенесення нею речовин та енергії у гідрохімічній системі.
Характеристиці цих властивостей та функцій гідрохімічної системи і присвячено даний розділ.
2.1.Речовинно-агрегатна структура гідрохімічної системи
Речовинно-агрегатну структуру гідрохімічної системи утворюють хімічні речовини, які у різних формах і агрегатних станах знаходяться у воді і забезпечують перебіг фізико-хімічних процесів як у самій воді так і речовинно-енергетичний обмін між водою та суміжними з нею середовищами.
Природні води контактують у процесі кругообігу з великою кількістю мінералів, газів, органічних речовин, речовин антропогенного походження. Усі ці речовини в тій чи іншій мірі, у той чи інший спосіб переходять до складу води. Тому природна вода на відміну від хімічно чистої води H2O є розчином різноманітних мінеральних та органічних речовин.
Вона містить у своєму складі усі відомі хімічні елементи у вигляді простих та складних іонів, комплексних сполук, розчинених та газоподібних молекул, стабільних та радіоактивних ізотопів. Ще В.І.Вернадський говорив, що в кожній краплі води, як у мікрокосмі, відбивається склад космосу [14 ]. В останні роки це положення підтверджується: з 87 стабільних хімічних елементів, відомих у земній корі, біля 80 знайдено в природних водах.
Головні хімічні елементи, що формують гідрохімічні системи та їх природні джерела представлені в табл. 2.1.
Таблиця 2.1
Головні хімічні елементи формування гідрохімічних систем та джерела їх надходження ( за П. О'Нейлом, 1998 [157])
Джерело надходженняХімічні елементиАтмосфераN, OОкеанO, H, Cl, Na, Mg, SОсадові породиO, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, NaМагматичні породи (граніти)O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, MgМагматичні породи (базальти)O, Si, Al, Fe, Ca, MgЗемна кораO, Si, Mg, Fe,
Висока здатність води до розчинення різних хімічних речовин пояснюється особливістю фізичної будови молекули води, яка складається з двох атомів водню та одного атома кисню. Властивості води та широкий спектр їх прояву визначаються фізичною природою цих атомів та способом їх об'єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню та кисню розміщені так відносно один одного, що утворюють рівносторонній трикутник з відносно великим ядром кисню у його вершині та двома дрібними ядрами водню у основі.
У молекулі води є чотири полюси зарядів: два від'ємних за рахунок електронної щільності кисневих пар електронів та два додатніх - внаслідок дефіциту електронної щільності атомів водню - протонів. Така асиметричність розподілу електричних зарядів води фрмує полярні властивості молекули води, яка є диполем з високим дипольним моментом - 1,87 дебай.
Завдяки цьому молекули води стараються нейтралізувати електричне поле. Під впливом диполів води на поверхні занурених у неї речовин міжмолекулярні та міжатомні сили послаблюються у 80 разів. Таку високу діелектричну проникність із усіх відомих речовин має тільки у вода.
Молекули води зближаються протилежними зарядами, при цьому виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами водню та неподіленими електронами кисню. Тетраедрична направленість водневої хмари сприяє утворенню чотирьох водневих зв'язків для кожної водної молекули, які в свою чергу завдяки цьому можуть асоціювати з чотирма сусідніми.
Водневі зв'язки в декілька разів слабші за ковалентні зв'язки між атомами кисню та водню. Мікромолекулярна структура води дозволяє приєднувати за рахунок розриву водневих зв'язків молекули, чи частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненю. Цим і пояснюється здатність води бути універсальним розчинником.
Розкладаючи молек