Физико-химические основы функционирования гидросферы.

Рассмотрение химических процессов в гидросфере — задача очень сложная, более сложная, чем изучение процессов в атмосфере. Причина заключается в том, что природная вода представляет собой систему открытого типа, обменивающуюся веществами и энергией с сопредельными средами: атмосферой, литосферой, биологической составляющей.

Гидросфера — глобальная открытая система, стабильность которой тем выше, чем больше разнообразие составляющих ее компонентов. Опасность разбалансировки такой системы, нарушение равновесия и стабильности возникает тогда, когда существенно изменяются химический состав или физико-химические параметры на входе и соответственно продукция на выходе.

Химические процессы в гидросфере имеют следующие особенности:

1. Многообразие форм химических соединений: присутствуют все классы органических и неорганических веществ. Например, металлы, являющиеся непременным компонентом природных водоемов, существуют в гидросфере в виде простых ионов, гидратированных ионов, комплексных и металлорганических соединений, коллоидных частиц и взвесей.

2. Влияние гидролиза на химические процессы и участие в них гидратированных молекул и ионов. Например, железо, важный питательный компонент водных организмов, существует в гидросфере в форме гидроксокомплексов Fе³⁺:

FеОН²⁺ + Н₂О→Fе(ОН)₂⁺ + Н⁺

В целом процессы гидролиза, происходящие в гидросфере с различными минералами, играют важную роль не только в отношении изменения химического состава той или иной водной системы, но и в связи с изменениями ее рН (реакции среды).

3. Участие в химических процессах водорослей и бактерий. Водоросли (их около 30 тыс. видов) выделяют в водную среду органические вещества, а поглощают минеральные и углекислый газ. Бактерии, наоборот, превращают органические вещества в минеральные, т. е. перерабатывают создаваемое в процессе фотосинтеза органическое вещество в доступную для усвоения живыми организмами (например, рыбами) форму. Численность бактерий в природной воде составляет 1—300 млн/мл, что в десятки раз меньше, чем в почве.

В целом на окисление органического вещества в гидросфере за год требуется около 1,5-10¹¹ т кислорода.

В гидросфере протекают следующие химические и физико-химические процессы:

1. Химические реакции в водных растворах, в основном ионообменные и окислительно-восстановительные. Типичным примером ионообменной реакции может служить реакция раствора хлорида цинка с гидроксидом натрия:

Примером окислительно-восстановительного процесса может служить реакция

где хлор выступает в качестве окислителя и восстановителя (реакция самоокисления — самовосстановления). Напомним, что окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающиеся переходом электронов между участвующими в реакции частицами (атомами, ионами, молекулами). Процесс потери электронов какой-то частицей называется ее окислением, а сама частица, отдающая электроны, — восстановителем. Процесс присоединения электронов частицей называется ее восстановлением, а принимающая электроны частица — окислителем. Таким образом, в ходе окислительно-восстановительной реакции (ОВР) окислитель восстанавливается, а восстановитель окисляется. Различают три типа ОВР: межмолекулярные, внутримолекулярные, самоокисление - самовосстановление.

2. Испарение и растворение газов на поверхности раздела воздух—вода. Например, растворение газов О₂, N₂, СО₂ Н₂S и NН₃⁺ в природной воде. Кислород растворим в большей степени, чем азот, поэтому их соотношение в природных водах составляет N₂:0₂ = 65:35.

3. Сорбционные процессы, т. е. процессы адсорбции, абсорбции и десорбции, обычно протекающие с участием органических соединений и способствующие самоочищению природных вол.

4. Фотолиз – фотохимическое превращение, протекающее в природных водах под воздействием УФ-излучения Солнца при участии свободных радикалов и возбужденных частиц. Толщина слоя воды, в котором осуществляется фотолиз, может доходить до нескольких метров. Фотолиз протекает с участием кислорода и свободных радикалов, играя важную роль в процессах самоочищения неглубоких водоемов, рек, прудов прибрежных зон морей, озер водохранилищ от загрязняющих веществ.