Растворимость в воде газов различна и зависит от ряда факторов: температуры, давления, минерали­зации, присутствия в водном растворе других газов. С повышением температуры до 90 °С растворимость газов в воде снижается, а затем возрастает. Так, в 1 л воды при температуре 20 °С растворяется 665 мл 4630, аммиака—I 300000. Как видно из этих приме­ров, растворимость зависит и от состава самого газа.

Повышение давления влечет за собой увеличение растворимости газов. Например, при давлении 25атм в 1 л воды растворяется углекислого газа 16,3 л, а при 53 атм — 26,9.

При повышении минерализации воды раствори­мость газа падает. Так, при 0°С растворимость кислорода в 1 л воды с минерализацией менее 1 г/л составляет 49 мл, а при минерализации 30 г/л*—только 15, т. е. в три раза меньше.

И
з всего сказанного можно сделать вывод о том, что растворимость газа в природной воде при посто­янных температуре и степени минерализации прямо пропорциональна давлению газа на жидкость, для газовых смесей она пропорциональна давлению каж­дого газа в отдельности. Но это справедливо для сравнительно небольших давлений. При значитель­ных давлениях, например на больших глубинах в океане, где давление подчас достигает сотен и даже тысячи атмосфер, на растворимость газов в воде влияет не парциальное давление отдельных газов, а общее давление всего столба воды, но об этом речь впереди.

В растворенном газе дождевой воды углекислоты в 33 раза больше, чем в воздухе, а кислорода в два раза больше.

Углекислый газ поступает в атмосферу (наземную и подземную) преимущественно за счет окисления, брожения и гниения органических остатков и дыха­ния водных организмов. В атмосфере его содержание при парциальном давлении 0,0003 атм невелико - около 0,03%.

В 1 л чистой воды при таком давлении и темпе­ратуре 15 °С может раствориться всего лишь 0,59 мг углекислого газа. В земных недрах на значительных глубинах его содержание может достигать очень больших значений, и источником этого газа чаще служат глубинные процессы выделения его из вещества мантии и нежней литосферы.

2.3Растворимость твердых веществ в воде.

Процесс растворения твердых веществ в воде можно рассматривать как борьбу двух электростатических сил с противоположными зарядами, присущих ионам твердого вещества, с од­ной стороны, и ионам и молекулам воды — с другой. На рис. 9 показана схема процесса растворения кристалла поваренной соли (NaCI). Оторванные от кристалла заряженные ионы хлора и натрия окру­жаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое вещество выпадает из насыщенного раствора в оса­док. Например, выпадающий из раствора при его пересыщении сульфат кальция (Са[S0₄]) захваты­вает воду (называемую кристаллизационной) и ста­новится гипсом (Ca[S0₄] · 2H₂0). Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с гематитом (железным блеском Fe₂Оз), переходя­щим при гидратации в лимонит (бурый железняк HFeO₂ · nH₂O, где п достигает 4) и т. п.

Процессы гидратации могут происходить настоль­ко быстро и сопровождаться столь значительным увеличением объема, что приводят к нарушениям земной коры, подобно тектоническим дислокациям.

Растворы представляют собой сложные промежу­точные системы между физическими смесями и хими­ческими соединениями. Процесс растворения — про­цесс диффузионный. При достижении предела раст­ворения (при известных температуре и давлении) наступает динамическое равновесие между количе­ствами как растворяемого вещества, так и выпадаю­щего из раствора, образуется насыщенный, или кон­центрированный, раствор. Д. И. Менделеев относил процесс растворения не к физическим, а к хими­ческим процессам на том основании, что нередко при растворении выделяется тепло. Это происхо­дит вследствие химического взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем. Процент­ное содержание воды в некоторых минералах очень велико. Например, мирабилит Na₂S0₄·10H₂0 содержит 56 вес. % воды, гидробазалюминит А1₄[(ОН)₁₀SO₄]₃ · 36Н₂O — 60, сода Na₂СOз·10H₂О — 55 и т. д.

Твердое вещество образует водный раствор из молекул и ионов с диаметром 1—10А. Но в воде могут содержаться и более крупные частицы: от 10 до 100А, которые образуют чаще всего не истинные, а коллоидные растворы. Если находящиеся в воде частицы еще крупнее, то они не образуют растворов, а создают механические суспензии, взвеси.

Химический состав природных растворов весьма разнообразен. Существует множество классификаций их, построенных по разным принципам. Форма вы­ражения результатов анализов может быть различ­ной: солевая, окисная, атомная и ионная. Последняя, хотя, как и другие, условна, однако в настоящее время признана наиболее удобной, поскольку позво­ляет выражать все, что содержится в воде, вплоть до живых организмов. Именно так и стремился пос­тупать автор классической монографии о природных водах академик В. И. Вернадский. По его классифи­кации природные воды разделялись на 485 видов минералов группы воды (гидридов), причем общее их количество, по его мнению, в действительности должно превысить 1500. Конечно, для практических целей такая классификация затруднительна.

В настоящее время все природные воды по пре" обладающему аниону делят на три класса: 1) хлоридные, 2) сульфатные и 3) гидрокарбонатные.

Каждый класс подразделяется в свою очередь на три группы: 1) кальциевую, 2) магниевую и 3) натриевую, т. е. классификация проводится по катионам. Группы можно делить еще по трем типам, но мы эту классификацию рассматривать не будем. По преобладающему растворенному газу воды могут быть подразделены на азотные, сероводородные, углекис­лые и т. д.

Самыми главными и наиболее распространенными компонентами в природных растворах являются хлор, а затем натрий, далее следуют ионы сульфатный ,гидрокарбонатный HCO₃^- и карбонатный , кальций Са²⁺, магний Mg²⁺ и др.

На рис. 11 показана зависимость растворимости некоторых солей хлора от температуры. Кривые недвусмысленно показывают, что из четырех солей хлора наибольшей растворимостью обладает хлори­стый кальций, а наименьшей хлористый натрий.

Насколько возрастает растворимость солей с по­вышением температуры и давления, рассмотрим на примере самого распространенного в водной среде вещества — хлористого натрия NaCl. При темпера­туре 10°С и давлении 1 бар он растворяется пре­дельно—257 г/кг (насыщенный раствор), а при температуре 500 ⁰С и давлении 1 кбар—в 1571 раз больше (561000 г/кг), т. е. по массе вода как растворитель в 56 раз легче, чем растворяемая соль. В большинстве случаев то же самое происходит и с другими солями. Однако встречаются и исключения. В качестве примера можно привести хромовокислый кальций СаСrO₄, растворимость которого при темпе­ратуре 0°С 15,4, а при 100 ⁰С—только 7,1 г/кг. Так же ведут себя гипс CaSO₄ · 2H₂O в интервале температур 40—100°С, сульфат натрия Na₂S0₄ при 25—100°С и некоторые другие соли.

2.4Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом.

Выше было сказано, что при некоторых условиях во­да способна расщепляться на два иона: положительно заряженный гидратированный катион Н+ (Н₃О⁺) и отрицательно заряженный анион ОН^- (называемый также гидроксилом). Но вода способна не только расщепляться сама, но и расщеплять другие вещества, в ней растворенные, вступая при этом в обменные реакции с присоедине­нием элементов воды (ОН^- и Н⁺. Этот процесс но­сит название гидролиза. В качестве одного из примеров можно привести гидролиз хлористого желе­за, протекающий по следующей схеме:

FeCl₃+ЗН₂О Fe(OH)₃ + ЗНСl.

В результате гидролиза мы получаем гидрат оки­си железа и соляную кислоту.

Останавливаться сейчас подробнее на гидролизе мы не будем, но просим его запомнить для лучшего понимания последующего. Отметим лишь, что гидро­лизом объясняются белящие свойства хлора, моющее действие мыла. Гидролиз имеет большое применение в промышленности: в паточном производстве, при получении спирта из древесины и во многих других областях производства.

Учитывая тесный контакт подземной воды с вме­щающими ее породами и ее высокую растворяю­щую способность, естественно ожидать влияния на формирование химического состава раствора, каким является природная подземная вода, химического состава вмещающих воду пород. Это иногда и наблюдается в верхних горизонтах литосферы до глубин, различных в разных местах, но не превы­шающих зоны возможного проникновения в породы современных поверхностных вод. Разумеется, мно­гое здесь зависит от растворимости пород и от цело­го ряда превходящих факторов, таких, как темпера­тура, давление, биохимические процессы, наличие тех или иных уже растворенных веществ, в част­ности растворенных или свободных (называемых спонтанными) газов.

Во всяком случае, при циркуляции воды в извест­няках или доломитах и при их выщелачивании обра­зуется гидрокарбонатно-кальциевая, жесткая, вода, а в случае смывания залежей поваренной соли, хлоридно-натриевая. Образование гидрокарбонатно-натриевых (содовых, Na₂HCO₃) вод объясняется иногда разложением полевых шпатов (например, плагиок­лаза NaAlSi₃O₈) в присутствии углекислого газа СО₂. Воды сульфатного класса в присутствии кисло­рода могут образовываться при их циркуляции в трещиновато-пористых породах, богатых сульфид­ными минералами.

Во всех перечисленных случаях повышенные мине­рализации вод (до рассолов включительно) чаще возможны при интенсивном природном выпаривании подобных растворов. Например, в озерах в районах с жарким климатом. Мы не разделяем мнение мно­гих исследователей, привлекающих эти процессы для объяснения высоких концентраций глубинных рассольных вод.

Химический состав природных растворов выра­жается самыми различными формулами. Вот как с помощью формулы Курлова могут быть выражены результаты анализа морской воды:

Как отмечалось выше, наиболее предпочтительной формой выражения результатов анализа воды явля­ется ионная. При этом содержание того или иного иона дается в граммах или миллиграммах на литр воды. Однако для полной характеристики свойств воды ионная форма недостаточна. В связи с этим наряду с ионной пользуются миллиграмм-эквивалент­ной формой. Пересчет данных анализа на милли­грамм-эквивалентную форму осуществляется деле­нием количества миллиграммов каждого иона в 1 л воды на его эквивалентную массу. Например, разде­лив 10722 мг натрия на его эквивалентную массу, равную 23, получим 466 мг-экв. натрия. Сумма миллиграмм-эквивалентов для катионов и анионов должна быть одинаковой, поскольку каждому экви­валенту катиона соответствует эквивалент аниона.

Перевод результатов анализа вод в процент-экви­валентную форму производится для того, чтобы иметь возможность сопоставить воды различной минерали­зации и получить более ясное представление о соотношениях между ионами в одной и той же воде. При­няв суммы миллиграмм-эквивалентов анионов и катионов, содержащихся в 1 л воды, за 100%, рассчи­тывают процент количества миллиграмм-эквивалентов каждого иона по отношению к этим суммам (табл. 2.)

Таблица 2

Содержание главных компонентов в водах мирового океана

Подобный способ показа химического состава в практических дисциплинах о воде удобен и прост, но для научных построений совершенно не пригоден. Это сразу станет ясно, если мы попытаемся изобразить геохимический состав Мирового океана, куда, естественно, должен войти и состав всего его биоце­ноза ^п. В. И. Вернадский пользовался выражением того или иного состава только с помощью атомных процентов.

Хотя данная глава посвящена химическим свойст­вам воды, мы совершенно сознательно опускаем такие, бесспорно, важные аспекты этой темы, как ионное равновесие растворов, произведение раствори­мости, активность ионов и ряд других, отсылая заинтересованного читателя в зависимости от его подготовки к многочисленным учебникам химии для средней или высшей школы. Одновременно мы должны предупредить, что в этих учебниках учтены обычные условия физико-химических характеристик, с которыми человек имеет дело в быту или на про­изводстве, и совершенно не касаются сверхкритических условий, как больших глубин земных недр, так и далеких от Земли космических пространств.

Глава 3Использование воды в современной технике и технологиях.

3.1Морская вода в промышленности

Без воды Мирового океана немыслима жизнь на Земле, невозможен круговорот веществ, энергии в природе. В данной главе пойдет речь не о глобальных физических процессах, а об участии воды в морском хозяйстве, в котором вода является сырьем, так как «уже претерпела известное изменение при посредстве труда»(Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т.25, ч.I, с.190).

Долгое время соленую воду океана рассматривали только как «агрессивную» среду, которую в процессе производства следует нейтрализовать, ибо ее невозможно использовать. Однако изменение технологии с учетом физических и химических свойств морской воды позволяет применять ее в качестве полезного компонента. В промышленности морская вода используется при производстве ряда продуктов охлаждения агрегатов, обогащения полезных ископаемых, транспортировке сырья и отходов, в качестве питательной воды в парогенераторах, для поддержки пластового давления на нефтегазопромыслах и т. д. Круг ее применения непрерывно расширяется. Уже в 2000 году в США за счет морского водопотребления удовлетворяется одна треть промышленных потребностей. Растут масштабы использования морской воды в других странах, в том числе в Японии, где ожидаемый дефицит водных ресурсов предполагается покрывать за счет морской воды.