Учение о миграции компонентов в подземных водах, страница 2

Внутренние факторы миграции. Состояние элементов в водных растворах, как известно, предопределяется показателями, характеризующими энергию связи электронов с ядром и ? зависящими от положения элементов в периодической системе Д.И. Менделеева. К этим показателям относятся строение и размеры атомов и ионов и параметры, вытекающие из этого строения – такие как валентность, энергия ионизации, электроотрицательность химических элементов, их сродство с электроном, энергия кристаллической решетки минерала.

Размеры атомных и ионных радиусов лежат в основе миграционной концепции В.И. Лебедева, согласно которой важным фактором миграции является способность элементов вступать в соединения, главным образом с кислородом, и с другими элементами. Огромное значение радиусу атома и иона придавал М.В. Гольдшмидт. Он показал, что при прочих равных условиях ион с большим радиусом предпочтительнее остается в жидкой фазе (K+ – 0,133 нм), а ион с малым радиусом – в твердой (Li+ – 0,068, Si4+ – 0,039). К.Е. Питьева отмечает важность валентности химических элементов: чем больше валентность элементов, тем ниже их миграционная способность, так как элементы с большей валентностью образуют преимущественно, за небольшим исключением, слаборастворимые соединения (Аl3+, Fe3+, Ti4+). Отношение единиц валентности z к ионному радиусу r называется ионным потенциалом (z/r). Для катионов установлено, что большие ионные радиусы и низкая валентность (малый ионный потенциал) определяют их высокую миграционную активность. Это подтверждается низкой миграционной активностью в подземных водах элементов-гидролизатов (см. рисунок).

Ничтожно мал радиус атома водорода, что обусловливает высокую подвижность Н+ в водных растворах и его способность внедряться в кристаллические решетки минералов.

Внешние факторы миграции характеризуют среду, в которой перемещаются химические элементы. Она не постоянна в пространстве и в геологическом времени, поэтому химический состав подземных вод непрерывно меняется. ? Основными внешними факторами водной среды миграции являются минерализация водного раствора, величины рН и Еh, температура и давление.

Концентрация (для маломинерализованных вод) или активная концентрация (для минерализованных вод), а также все параметры, характеризующие концентрационные равновесия: константы равновесия, произведения растворимости, коэффициенты активности и ионная сила – определяют конкретное сочетание химических элементов и их форм в воде. Они обязательно учитываются при термодинамических расчетах состояния подземных вод и миграционных форм химических элементов. Такие расчеты, довольно сложные, выполняются сейчас с использованием специальных компьютерных программ, например, SOLMINEO-88. (Результаты расчетов)

Показатель водородных ионов (рН) ? и окислительно-восстановительный потенциал (Еh) ? являются одними из главнейших показателей, контролирующих присутствие в водах большинства химических элементов и определяющих форму их нахождения. Так, по А.Е. Ферсману, характеристикой миграционной способности элемента в водной среде является величина рН, при которой начинается выпадение из раствора гидроокиси данного элемента. Рассчитаны значения рН начала осаждения гидроокисей некоторых элементов (Щербина, 1972).

Из них следует, что некоторые металлы могут находиться в природных водах и мигрировать в условиях кислой среды, когда низкие концентрации ионов ОН- не способствуют образованию гидроокислов (например, алюминий при рН ниже 4,4-4,3, железо при рН 2,48-2,70, медь при рН 5,4-6.1). Другие металлы хорошо мигрируют в нейтральной и щелочной средах (железо при рН выше 6,49,марганец при рН 8,5-8,8, магний при рН 10,5, кальций при рН 12,47). В зависимости от величины рН изменяются и формы нахождения в воде слабых кислот (угольной, фосфорной, кремниевой и др.). Константы диссоциации этих кислот выражаются очень малыми величинами, которые в значительной мере зависят от величины рН: с ее уменьшением (т.е. в кислой среде) диссоциация этих кислот подавляется почти нацело и они присутствуют в виде молекул; с увеличением рН степень диссоциации слабых кислот возрастает.