Гідрогеохімія (геохімія підземних вод): Навчальний посібник, страница 41

Іонними парами називають асоціації протилежно заряджених іонів, що утворюються внаслідок лише електростатичної взаємодії. Процес асоціації проходить внаслідок збільшення концентрації розчину, коли між іонами збільшується електростатична напруга. Іонні пари можуть бути нейтральними [CaSO₄⁰], [MgSO₄⁰] та ін. або нести заряд - [MgHСO₃]⁺, [CaHCO₃]⁺ та ін. Схильність до утворення іонних пар є у карбонатних, сульфатних, магнієвих і кальцієвих іонів. У іонів хлору, калію і, меншою мірою, натрію вона проявляється слабко.

У розбавлених розчинах процент іонних пар є дуже великим. Зі зростанням концентрації кількість іонних пар збільшується за рахунок зменшення вільних іонів. У висококонцентрованих водних розчинах взаємодія між розчиненими частками настільки збільшується, що вільних іонів стає менше, ніж асоційованих.

Таким чином, електроліти присутні у водному розчині у вигляді різних іонів, молекул та іонних пар.

Іони прийнято розподіляти на прості і складні (комплексні). Прикладом простих іонів є: Ca²⁺,Mg²⁺, К, Na⁺ і т.п.; складних - SO₄^2-, HCO₃^- і т.п.

Здатність електролітів утворювати прості і складні іони залежить від багатьох факторів, у тому числі і від валентності іону та його розміру (радіусу).

В. Гольдшідт, спираючись на співвідношення цих параметрів (тобто величину іонних потенціалів), поділив елементи на 3 групи:

I. Cs, Rb, K, Na, Li, Ba, Sr, Ca, Mg,

Co, Cu, Mn, Zn, Ni, Fe і т. п.

Елементи першого рядка мігрують переважно у вигляді простих іонів (катіонів) у будь-якому середовищі, другого рядку – також у вигляді простих іонів, але лише у слабкокислому і кислому середовищі.

II. V, Se, Cr, Zn, Al, Be, Fe, Ti та ін.

Основною властивістю цих елементів є здатність до гідролізу у водних розчинах (переважно при рН > 7) з утворенням малорозчинних гідратів окисей. Багато з них у природних умовах характеризуються властивостями амфотерності.

III. Mn, Si, B, P, S, C, N та ін..

Ці елементи мають яскраво виражену здатність до утворення складних аніонів з киснем SO₄^2-, CO₃^2- та ін.), у вигляді яких і мігрують у водних розчинах.

Найпоширенішим у природних водах є складні (комплексні) іони. До них належить переважна кількість хімічних елементів. Головними їхніми особливостями є те, що вони, маючи здатність гідролізуватися, характеризуються низькою величиною добутку розчинності гідратів окисей, внаслідок чого їхня міграційна здатність повинна бути мінімальною. З іншого боку, у відповідних геохімічних умовах вони виявляються елементами – комплексоутворювачами і мають підвищену розчинність

Нагадаємо, що комплекс складається з центрального атома (іона) та радикалів (їх називають аддендами або лігандами – донорами електронів). В якості прикладів комплексних іонів наведемо наступні:

[Cu(CO₃)²]^2-, [HCu(CO₃)²]^- і т.п.

Дисоціація комплексних сполук відбувається у дві стадії: 1) комплекса – на складний і простий іон; 2) складного комплексного іона – на більш прості комплексні іони. Наприклад:

1)  Na[(UO₂)(CO₃)₃] ↔ 4Na⁺ + [UO₂(CO₃)₃]^4-;

2)  [UO₂(CO₃)₃]^4- ↔ UO₂²⁺ + 3CO₃^2-.

Адденд може бути пов’язаним з одним, двома і більшим числом атомів. Максимальне число аддендів, що координуються з центральним атомом, дорівнює максимальному координаційному числу останнього. Два, три і більше аддендів, з’єднуючись з іоном металу, утворюють хелатні комплекси, що мають велику стійкість у водних розчинах.

Чіткої межі між справжніми комплексними іонами і іонними парами провести неможливо. Критерієм для такого розподілу може бути лише поведінка їхніх гідратних оболонок: у іонній парі оболонки залишаються незмінними, тоді як у комплексних іонах оболонки часток, що реагують, зливаються у єдину гідратну оболонку.

Встановлено, що для більшості елементів комплексоутворювання збільшує рН гідролізу, оскільки іон елемента, що частково або повністю є зв’язаним з аддендом, піддається гідролізу меншою мірою, ніж відповідний простий гідратований іон. Розчинність комплексних сполук є досить значною. Тому комплексоутворення суттєво розширює діапазон водної міграції елементів – комплексоутворювачів. При цьому чим більш стійкою є комплексна сполука, тим слабкішим є її гідролізуємість і, відповідно, вище її міграційна здатність у воді.