Химия окружающей среды

   Ионы  металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости  от условий среды (pH, окислительно-восстановительный  потенциал, наличие лигандов) они  существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

   Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

   Многие  металлы образуют довольно прочные  комплексы с органикой; эти комплексы  являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных  водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

   Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных  водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и  токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

   Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

   1.      может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

   2.      мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

   3.      токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

   Компоненты  естественных водных систем характеризуются так называемыми консервативными или неконсервативными свойствами. К консервативным относятся вещества, концентрации которых остаются примерно постоянными либо характеризуются постоянным отношением к концентрации какого либо другого вещества в системе. К таким металлам можно отнести распространенные натрий, калий и кальций.

   Группу  неконсервативных веществ составляет большинство переходных металлов (железо, медь, цинк). Их содержание меняется в  зависимости от таких факторов, как  географическое положение, время, сезон, температура, соленость воды и, что более важно, биологическая активность.

   Эти тяжелые металлы, как правило, присутствуют в концентрациях, не превышающих одной миллионной доли, а в большинстве случаев лежащих в области микро и субмикроконцентраций вплоть до 10~10 моль/л или меньше. Несмотря на это вследствие своей химической активности они играют определяющую роль в химии водных систем.

   Во  многих случаях такие металлы, как  медь, цинк, кадмий и никель, присутствующие в виде следов, играют жизненно важную роль в биологической системе и могут рассматриваться как микроэлементы питания. Однако при более высоких концентрациях те же металлы могут выступать в качестве ингибиторов реакций с энзимами и в некоторых случаях проявляют высокую токсичность по отношению к определенным организмам.

   Биологическая активность и химическая реакционная  способность металлов частично зависят  от их валентного состояния. Имеется  значительное различие между аналитической  концентрацией ионов металлов и  их концентрацией, доступной для водных организмов. Если вещества проходят через фильтр с размерами пор 0,45 мкм, то они могут рассматриваться как истинные растворы. Вещества, остающиеся на поверхности такого фильтра, относятся к дисперсным системам. При таком разделении веществ изучение их химической структуры отступает на второй план. Однако сведения о концентрации веществ и их химической природе необходимы для понимания свойств и реакций, протекающих в водной системе. Структура соединений, в которых присутствуют металлы, зависит от степени окисления и способности данного металла к комплексообразованию. 

Основные  типы соединений металлов в водном растворе: гидратированные  соединения, ионные пары, комплексные  ионы. Их характеристика, условия образования  и значение.

   Гидратированные ионы. При растворении солей в воде образуются гидратированные ионы. Образование гидратированных ионов приводит к стабилизации ионов в растворах воды. Каждый отрицательный ион притягивает положительные концы нескольких ближайших молекул воды и стремится удержать их около себя.

   Положительные ионы, которые обычно меньше анионов, притягивают воду еще сильнее; каждый катион притягивает отрицательные  концы молекул воды и прочно связывает  несколько молекул, удерживая их около себя; при этом образуется гидрат, который может быть весьма устойчивым, особенно в случае катионов, несущих двойной или тройной положительный заряд.

   Комплексные соединения — это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному иону (или атому), называемому комплексообразователем, нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами. Комплексообразователь обычно положительно заряжен и в таком случае именуется в современной научной литературе металлоцентром.

   Ионные пары, состоят из двух противоположно заряженных ионов, удерживаемых электростатическими силами, дисперсионными, ион-дипольными или некоторымирыми др. взаимодействиями.  

Мировой океан. Состав ионов в морской воде. Различия между континентальными поверхностными водами и морской водой.

  Мировой океан — основная часть гидросферы, составляющая 94,1 % всей её площади, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава.

  Континенты  и большие архипелаги разделяют мировой океан на пять больших частей (океанов):

• Атлантический океан
• Индийский океан
• Северный Ледовитый океан
• Тихий океан
• Южный океан

  Большие регионы океанов известны как моря, заливы, проливы и т. п.

  Ионный  состав морской воды - основной ионный состав морской воды определяется концентрациями семи ионов: хлора, сульфатного, гидрокарбонатного, натрия, калия, магния, кальция.

  Огромный  слой соленой воды, покрывающий большую  часть Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный состав. Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.

  Ионный  состав мирового океана.

  Морскую воду часто называют соленой. Под  соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях. 

Дельты  рек и эстуарии. Их определение, особенности потоков воды. Процессы, протекающие в дельтах и эстуариях и их особенности.

   Дельта - низменность в низовьях реки, сложеннная речными отложениями и разделеннная разветвленной сетью рукавов  и протоков.

   Дельты – это плоские низменные равнины, полого наклоненные в сторону моря, часто имеющие форму, близкую к треугольной. В их пределах река распадается на многочисленные радиально расходящиеся рукава и потоки, образуя аллювиально-дельтовые равнины. Река, впадая в моря и озера, приносит с собой большое количество обломочного материала, как влекомого по дну, так и во взвешенном состоянии. Часть его уносится в море, значительная же часть оседает в прибрежной зоне, образуя подводный конус выноса. Постепенно нарастая в сторону моря, в ширину и высоту, он начинает выступать на поверхности в виде выдающегося в море широкого конуса (дельты) с вершиной, обращенной к реке. Дельты образуются при относительно небольшой глубине моря, обилии обломочного материала, отсутствии приливов и отливов и сильных вдольбереговых течений и сравнительно медленных колебательных тектонических движений.

   В речных дельтах встречаются различные  по своему составу и генезису отложения:

1. аллювиальные отложения русловых потоков (на равнинах – пески и глины, более грубый материал – в горах);
2. озерные отложения, в отшнурованных руслах (глинистые осадки, богатые органическим веществом);
3. болотистые отложения (торфяники, на месте зарастающих озер);
4. морские осадки.

   Эстуарий (от лат. aestuarium — затопляемое устье реки) — однорукавное, воронкообразное устье реки, расширяющееся в сторону моря.

   Для образования эстуариев благоприятны условия там, где наблюдаются приливы и отливы, вдольбереговые течения и прогибание земной коры. Во время приливов море далеко вдается в устьевые части рек, а во время отливов морская вода вместе с речной образуют мощный поток, движущийся со значительной скоростью. При этом обломочный материал, принесенный рекой, выносится в море, где подхватывается береговыми течениями. 

Поведение газов в воде: H₂S, O₂. Оксид углерода (IV) в водной среде. Система СО₂ - СО₃^2- ее характеристика и значение для водной системы. Цикл СО₂ в атмосфере и гидросфере и климат планеты.