Разбираем химический состав подземных вод

Химические свойства

Вода и ее свойства – важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:

1. Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
2. Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
3. Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими – наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
4. Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
5. Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
6. Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO₄*5H₂O), а также обычные гидраты (NaOH*H₂O и другие).
7. Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
8. Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы – водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.

С точки зрения теории Льюиса вода – это слабая кислота и слабое основание одновременно (амфолит). То есть можно сказать о некоей амфотерности в химических свойствах.

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились

Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание

Вода и ее полезные свойства для живых существ

Сложно переоценить то значение, которое имеет оксид водорода для всего живого. Ведь вода и есть сам источник жизни. Известно, что без нее человек не смог бы прожить и недели. Вода, ее свойства и значение просто колоссальны.

1. Это универсальный, то есть способный растворять и органические, и неорганические соединения, растворитель, действующий в живых системах. Именно поэтому вода – источник и среда для протекания всех каталитических биохимических преобразований, с формированием сложных жизненно важных комплексных соединений.
2. Способность образовывать водородные связи делает данное вещество универсальным в выдерживании температур без изменения агрегатного состояния. Если бы это было не так, то при малейшем снижении градусов она превращалась бы в лед внутри живых существ, вызывая гибель клеток.
3. Для человека вода – источник всех основных бытовых благ и нужд: приготовление пищи, стирка, уборка, принятие ванны, купание и плавание и прочее.
4. Промышленные заводы (химические, текстильные, машиностроительные, пищевые, нефтеперерабатывающие и другие) не сумели бы осуществлять свою работу без участия оксида водорода.
5. Издревле считалось, что вода – это источник здоровья. Она применялась и применяется сегодня как лечебное вещество.
6. Растения используют ее как основной источник питания, за счет чего они продуцируют кислород – газ, благодаря которому существует жизнь на нашей планете.

Можно назвать еще десятки причин того, почему вода – это самое широко распространенное, важное и необходимое вещество для всех живых и искусственно созданных человеком объектов. Мы привели только самые очевидные, главные

Физические свойства H2O, исходя из данных о химсоставе

Физические свойства подземных вод взаимосвязаны с их химическим составом.

Главными являются:

• прозрачность;
• цветовые характеристики;
• температурные особенности;
• своеобразие запаха;
• вкус.

Отсутствие органики в подземных водах повышает их прозрачность. Желтоватая и бурая окраска появляется при наличии органических соединений. Железо, сероводород дают зеленоватые оттенки. Подземные воды не замерзают до отрицательных температур в приповерхностной зоне, а в областях  с активной магматической деятельностью прогреваются до 300-400 градусов. Высокая минерализация препятствует превращению воды в лед, ее замерзание начинается ниже -5оС.

Запах зависит от наличия газов (сероводорода). Соленый вкус отмечается, если есть хлор, горький – магний, сладковатый – органические компоненты.

Физические свойства H2O, исходя из данных о химсоставе

Физические свойства подземных вод взаимосвязаны с их химическим составом.

Главными являются:

• прозрачность;
• цветовые характеристики;
• температурные особенности;
• своеобразие запаха;
• вкус.

Отсутствие органики в подземных водах повышает их прозрачность. Желтоватая и бурая окраска появляется при наличии органических соединений. Железо, сероводород дают зеленоватые оттенки.

Подземные воды не замерзают до отрицательных температур в приповерхностной зоне, а в областях с активной магматической деятельностью прогреваются до 300-400 градусов. Высокая минерализация препятствует превращению воды в лед, ее замерзание начинается ниже -5 о С.

Запах зависит от наличия газов (сероводорода). Соленый вкус отмечается, если есть хлор, горький – магний, сладковатый – органические компоненты.

Количество воды на планете

Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.

Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество.

1. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км2.
2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км2.
3. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км2 оксида водорода.
4. Подземные воды составляют 100 млн м3.

Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.

Понятие о тяжелой воде

В природе оксид водорода существует в виде смеси изотопологов. Это связано с тем, что водород формирует три вида изотопа: протий 1Н, дейтерий 2Н, тритий 3Н. Кислород, в свою очередь, также не отстает и образует три устойчивые формы: 16О, 17О, 18О. Именно благодаря этому существует не просто обычная протиевая вода состава Н₂О (1Н и 16О), но еще и дейтериевая, и тритиевая.

При этом устойчива по структуре и форме именно дейтериевая (2Н), которая включается в состав практически всех природных вод, но в малом количестве. Именно ее называют тяжелой. Она несколько отличается от обычной или легкой по всем показателям.

Тяжелая вода и ее свойства характеризуются несколькими пунктами.

1. Кристаллизуется при температуре 3,82 С.
2. Кипение наблюдается при 101,42 С.
3. Плотность составляет 1,1059 г/см3.
4. Как растворитель в несколько раз хуже легкой воды.
5. Имеет химическую формулу D₂O.

При проведении опытов, показывающих влияние подобной воды на живые системы, было установлено, что жить в ней способны лишь некоторые виды бактерий. Для приспособления и акклиматизации колониям потребовалось время. Но, приспособившись, они полностью восстановили все жизненно важные функции (размножение, питание). Кроме того, стали очень устойчивы к воздействию радиоактивного излучения. Опыты на лягушках и рыбах положительного результата не дали.

Современные области применения дейтерия и образованной им тяжелой воды – атомная и ядерная энергетика. Получить в лабораторных условиях такую воду можно при помощи электролиза обычной – она образуется как побочный продукт. Сам дейтерий формируется при многократных перегонках водорода в специальных устройствах. Применение его основано на способности замедлять нейтронные синтезы и протонные реакции. Именно тяжелая вода и изотопы водорода – основа для создания ядерной и водородной бомбы.

Опыты на применении дейтериевой воды людьми в небольших количествах показали, что задерживается она недолго – полный вывод наблюдается через две недели. Употреблять ее в качестве источника влаги для жизни нельзя, однако техническое значение просто огромно.

Гидрологический цикл воды

Иными словами, это ее круговорот в природе. Очень важный процесс, позволяющий постоянно пополнять исчезающие запасы воды. Как он происходит?

Основных участников трое: подземные (или грунтовые) воды, поверхностные воды и Мировой океан. Важна также и атмосфера, конденсирующая и выдающая осадки. Также активными участниками процесса являются растения (в основном деревья), способные поглощать огромное количество воды в сутки.

Итак, процесс происходит следующим образом. Грунтовые воды заполняют подземные капилляры и стекаются к поверхности и Мировому океану. Затем поверхностные воды поглощаются растениями и транспирируются в окружающую среду. Также происходит испарение с огромных площадей океанов, морей, рек, озер и прочих водоемов. Попав в атмосферу, вода что делает? Конденсируется и проливается обратно в виде осадков (дождь, снег, град).

Если бы не происходили эти процессы, то запасы воды, особенно пресной, давно бы уже закончились

Именно поэтому охране и нормальному гидрологическому циклу уделяется людьми большое внимание

Систематизация по условиям расположения

Водные ресурсы, которые находятся под землей, составляют запасы общим объемом около 60 млн км³. Специалисты учитывают их как полезное ископаемое. Классификация подземных вод:

• почвенные;
• верховодка;
• грунтовые;
• артезианские;
• минеральные.

Почвенные и верховодка

Под верхним слоем земной коры располагаются почвенные воды. Они заполняют поры и трещины, а перемещаются под действием силы тяжести. По определению эта жидкость отличается небольшой глубиной залегания, она пропитывает собой природный массив, занимая очень большие площади.

Ее пополнение происходит в результате инфильтрационного просачивания дождевых вод через грунт и песок. Происходит это в течение длительного периода, за который вода насыщается органическими веществами. Некоторый объем жидкости протекает вглубь по участку, который обладает хорошей водопроницаемостью, а часть задерживается ближе к поверхности.

Верховодка представляет собой временную концентрацию гравитационных вод в областях аэрации почв и пород. В этом случае происхождение подземных вод случается после атмосферных осадков, паводков и таяния снегов. Кроме того, она может образовываться в результате внутрипочвенного испарения из искусственных водоемов. Верховодка обладает свойствами:

• сезонной неустойчивостью;
• ограниченным объемом расширения;
• резкими изменениями уровня.

Грунтовые и артезианские

К грунтовым относятся воды первого от поверхности земли водоносного горизонта. Они образуются в основном просачиванием через почву после атмосферных осадков, из рек, озер и других водоемов. Ученые заметили, что даже вечная мерзлота за полярным кругом не мешает грунтовым водам подпитывать моря.

Обычно это свободная и безнапорная жидкость, которая всегда остается на уровне вскрытия. Грунтовая вода подпитывается и распространяется в одной области. В течение сезона уровни сильно различаются в зависимости от атмосферных осадков и температуры грунта.

Когда отсутствуют дожди, а почва постоянно находится под солнечными лучами, то вода сильно подогревается, и уровень ее падает

Она имеет важное значение для народного хозяйства в России как источник водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов.. Межпластовые или артезианские залежи расположены между нижними и верхними водоупорными слоями. Основное их отличие — это отсутствие источников подпитки

Жидкость, находящаяся под давлением плотных слоев грунта, достигает поверхности в качестве родников

Основное их отличие — это отсутствие источников подпитки. Жидкость, находящаяся под давлением плотных слоев грунта, достигает поверхности в качестве родников.

Межпластовые или артезианские залежи расположены между нижними и верхними водоупорными слоями. Основное их отличие — это отсутствие источников подпитки. Жидкость, находящаяся под давлением плотных слоев грунта, достигает поверхности в качестве родников.

Если пробурить пласты, то эта вода из-под земли забьет фонтаном, поэтому ее добыча осуществляется буровой установкой на автомобильном шасси. В буровую скважину вставляется труба, устанавливается фильтр и опускается погружная помпа.

Во время разработки месторождений случаются прорывы, которые мешают при прохождении горных пород и требуют специальной охраны выработок от воды. Подземные месторождения глубокого залегания хорошо подходят для обеспечения населения, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Минеральные месторождения

В этих месторождениях находится тип подземной воды с неизменным химическим составом и биоактивными минеральными или органическими элементами. Жидкость с такими характеристиками обладает лечебными свойствами для внутреннего и наружного использования. Ее разделяют:

• по химическому составу;
• уровню минерализации;
• способу применения.

В состав практически любой жидкости из-под земли входят минеральные соли и другие полезные элементы. Она отличается от пресной тем, что ее состав формируется в течение нескольких лет под воздействием некоторых факторов. Ее структура никогда не изменяется и напрямую зависит от источника.

В промышленных целях минеральную воду добывают с помощью каптажей, которые представляют собой комплекс инженерных сооружений. Очень часто источники сами выходят наружу в виде родников и ключей. Обычно в таких местах строятся бальнеологические лечебницы и курорты.

Химический состав

Подземные воды не бывают абсолютно неминерализованными, в них обнаруживается спектр растворенных компонентов – и органика, и газы, и минеральные вещества. Благодаря им химический состав вод внутри земной коры так различен.

Ионный и солевой

Химические элементы подземных вод представлены ионами. Они вступают в реакции, образуя соли. Последние осаждаются на стенках трещин.

Но есть обратный процесс, когда твердые соли растворяются подземными водами, переходя в ионную форму. Ионы представлены макроэлементами и микроэлементами.

Микроэлементы

Иногда микроэлементов становится практически на порядок больше. Это связано с наличием морей, районов, где под действием ветра и воды происходит разрушение гранитов.

Микроэлементы ухудшают или улучшают состав вод. Они могут вызывать заболевания растений, животных, а также приносить пользу, если являются лечебным компонентом или служат показателем, что здесь можно обнаружить месторождения полезных ископаемых.

Макроэлементы

Макроэлементы преобладают в подземной гидросфере, по ним определяется ее тип (сульфатная, кальциево-магниевая и т.д.). На долю макрокомпонентов приходится 90-99 % от всех элементов.

• калий, натрий, магний, кальций, алюминий, кремний, железо (их ионы заряжены положительно);
• хлор, сульфаты, гидрокарбонаты, карбонаты (заряжены отрицательно).

Макроэлементы легко переходят в растворимую форму. Обогащение ими грунтовых вод объясняется разрушением пород, активностью вулканов или микроорганизмов.

Газовый

Подземная гидросфера обогащена различными газами. Их вид зависит от вмещающих пород, глубины залегания, близости очагов магмы. Приповерхностные воды обогащены кислородом, с глубиной он исчезает. Широко распространены азот, углекислый газ, метан.

Газы можно различать по происхождению:

• их поставляет атмосфера (кислород);
• в образовании играют роль химические реакции (сероводород, углекислый газ);
• производятся растениями и бактериями (кислород, сероводород);
• появляются при радиоактивных преобразованиях (аргон, гелий);
• формируются в результате производственной деятельности человека (углекислый газ, метан).

Ведущая роль принадлежит азоту, углекислому газу, метану. Остальные виды образуют локальные скопления.

Органические соединения

Органические компоненты приносят пользу и вред: некоторые их виды загрязняют подземные воды, другие делают лечебными или служат для обнаружения углеводородов. Органика отличается составом и происхождением. Она поступает из почв, пород, нефтеносных слоев.

На углерод, водород и кислород приходится более 90 % от всех элементов. На азот, серу, фосфор, металлы – до 10 %.

Бактериологический

Для подземных вод характерно существование различных бактерий, как безвредных, так и болезнетворных. Приповерхностные слои обогащены бактериями, разлагающими белки живых организмов. Это ухудшает качество вод. Однако микроорганизмы способны жить на глубинах до 3 км.

Там они играют иную роль:

• производят сероводород,
• углекислый газ,
• метан,
• азот,
• водород.

Вступая в реакции, эти газы образуют рудные минералы, углеводородное сырье. Также есть бактерии-окислители, выделяющие кислород.

В капле воды может содержаться до 200 тысяч микроорганизмов одного или нескольких видов. Наиболее благоприятный температурный режим для их развития – примерно 40-80 о С. Однако некоторые виды активны при -3 о С и +100 о С. Высокая минерализация тоже не является препятствием для их существования.

Энергетика

Почему свойства воды могут изменяться и восстанавливаться при переходе в разные агрегатные состояния? Ответ на этот вопрос следующий: у данного соединения существует своя информационная память, которая записывает все изменения и приводит к восстановлению структуры и свойств в нужное время. Биоэнергетическое поле, через которое проходит часть воды (та, что поступает из космоса), несет в себе мощный заряд энергии. Эту закономерность часто используют при лечении. Однако с медицинской точки зрения не каждая вода способна оказать благоприятный эффект, в том числе и информационный.