|
Связь иона с молекулами воды (гидратация ионов) зависит не только от заряда иена, но и от размера его радиуса. Прочность связи возрастает с увеличением заряда иона и убывает с увеличением радиуса. Чем выше заряд иона, тем сильнее притягиваются молекулы, но чем больше радиус иона, тем слабее силы этого притяжения. Отношение заряда иона к его радиусу является важным показателем и называется ионным потенциалом. Он имеет существенное значение для оценки способности атомов химических элементов образовывать ионы в водном растворе и способности этих ионов к более или менее продолжительной миграции в природных водах. При большом заряде и незначительном радиусе (т. е. с большим ионным потенциалом) ион отталкивает протоны (катионы водорода в молекулах воды) и образуются хорошо растворимые кислородсодержащие анионы SO4 , NO3 , СО3 и др. При небольшом заряде (валентности) и большом радиусе взаимодействие между ионом и молекулами воды слабое, оно не нарушает связей в молекуле и ионы остаются в растворе, окруженные молекулами воды. Таковы катионы щелочных и щелочноземельных металлов с малым ионным потенциалом. В промежуточном случае, когда ион отталкивает лишь по одному протону (катиону водорода в молекуле воды), образуются нерастворимые соединения катиона металла с ОН-группами. Эти соединения выпадают в осадок.
Щелочные и щелочноземельные элементы имеют небольшой ионный потенциал. Они долго остаются в растворенном состоянии и мигрируют с водами на большое расстояние. Элементы промежуточной группы должны быстро выпадать в осадок. Элементы с большими ионными потенциалами также хорошо растворимы, как и щелочные, и щелочноземельные элементы.
Концентрация водородных ионов, величины рН и Eh природных вод. Большое значение для нахождения ионов в растворимом состоянии имеют кислотно-щелочные условия поверхностных вод. Они характеризуются величиной рН (водородного показателя).
Вода очень слабо, но все же диссоциирует на ионы:
Н20 ^ ОН- + Н+ JSJ
Произведение концентраций этих ионов ничтожное:
Н+1 - OH- = Ю-14 ДЯ
В нейтральных условиях
[Н+] = [ОН-) = 10-7
Таким образом, концентрация водородных ионов в чистой воде теоретически равна 10~7 моль/л. С увеличением концентрации положительных ионов водорода вода приобретает щелочные свойства, с уменьшением — кислотные. Так как при изменении концентрации ионов Н+ меняется лишь значение показателя степени, то для удобства пользуются не абсолютным значением концентрации Н+ (в граммах или молях на литр), а берут ее отрицательный логарифм, который обозначают рН. Величина рН служит мерой концентрации водородных ионов в природных водах. Так, например, речная вода имеет рН около 7, дождевая — близка к 6, воды торфяников, обогащенные органическими кислотами, — 4—5.
Ионы большей части химических элементов находятся в растворенном состоянии в сильнокислой среде. Изменение рН влечет за собой выпадение иона в составе гидроксидов. Так, например, ион Fe3+ выпадает в виде Fe (ОН) з при рН 2,5, а ион Fe2+ в этих условиях вполне устойчив в растворе и выпадает в виде Fe (ОН)2 только при рН 5,5.
Приведем значения рН, при которых начинается осаждение гидроксидов некоторых металлов из разбавленных растворов солей:
Fe(OH)3 — 2.5 А1(ОН)3 —4,1 Zn(OH)2 — 5,2 Cu(OH)a —5,4 Fe(OH)2 —5.5
Pb(0H)2 — 6,0 Ni(OH)2 —6,7 Co(OH)2 — 6,8 Mn(OH)a — 9,0 Mg(OH}2 — 10,5
Окислительно-восстановительные реакции. Многие реакции, происходящие в природных водах, сопровождаются переходом электронов от одних ионов к другим. Такие реакции относятся к окислительно-восстановительным.
Некоторые элементы могут находиться в разных степенях окисления. Например, железо может быть в виде атомов Fe° и ионов Fe2"1" и Fe3+. Переход одной степени окисления к другой, т. е. изменение числа наружных электронов, сопровождается изменением свойств, в частности способности находиться в виде гидратированного иона в растворе. Изменение энергии при переходе от одной степени окисления к другой измеряется значением окислительно-восстановительного потенциала (Eh).
Различные типы природных вод характеризуются определенными сочетаниями окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и концентрации водородных ионов (рН). Поэтому одни и те же ионы, находящиеся в растворимом состоянии в определенных сочетаниях Eh и рН, при их изменении выпадают в осадок. Например, в сильнокислых водах с рН около 4 ионы Fe2+ находятся в растворе при Eh около 0,4—0,5 В. Но в щелочных растворах при таком значении Eh ионы должны перейти в ионы Fe3+ и выпасть в осадок. Нахождение ионов в растворе может быть охарактеризовано диаграммами Eh — рН, на которых по оси абсцисс откладывают рН, а по оси ординат — Eh.
|