ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ. Гидросфера – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова. Вода – основа гидросферы – одно из самых распространенных химических соединений на Земле. Это единственное вещество, которое в природных условиях на поверхности нашей планеты встречается в твердом, жидком и газообразном состоянии. Она является главной составной частью живых организмов.

Основную часть воды на Земле составляют океаны, покрывающие 2/3 поверхности Земли. Несмотря на кажущееся изобилие воды, лишь ничтожная часть ее пригодна для питья. Бóльшая часть пресной воды на Земле сосредоточена в ледниках Антарктиды, Гренландии и Арктики, а также в подземных запасах, пока малодоступных для человека.

РЕЗЕРВУАРЫ ГИДРОСФЕРЫ (%)
Океаны 97
Полярные ледяные шапки и ледники 2
Глубинные подземные воды 0,38
Поверхностные подземные воды 0,30
Озера 0,01
Почвенная влага 0,005
Реки 0,0001
Биосфера 0,00004
Атмосфера 0,001

Источник воды при образовании гидросферы до сих пор неясен. Возможно, это были метеориты или кометы, обогащенные водяным паром. В любом случае, когда поверхность Земли остыла до 100° С, водяной пар, выделяющийся из мантии, должен был сконденсироваться. Это произошло около 3,8 млрд. лет назад, когда образовались океаны.

Общий объем воды на земной поверхности после основной фазы дегазации Земли изменялся мало. В настоящее время из мантии выделяется очень небольшое количество воды. Потери воды из атмосферы в космос также невелики, так как на высоте около 15 км водяной пар конденсируется и выпадает в виде атмосферных осадков.

Вода в природе находится в постоянном движении. В разных фазах своего природного круговорота она переходит из жидкого в твердое или газообразное состояние. Вода с поверхности океанов и морей, рек, озер и других водоемов испаряется и попадает в атмосферу. Здесь водяной пар конденсируется, образуя облака, а затем вода выпадает в виде дождя, снега и града на земную поверхность. Несмотря на короткое время пребывания в атмосфере (около 10 дней), вода переносится на значительное расстояние – до 1000 км, где возвращается либо в океаны, либо на континенты

Воды морей и океанов содержат, в среднем, 3,5% растворенных веществ. В основном это соли – хлориды и сульфаты натрия и магния, которые находятся в морской воде в виде ионов. Относительные концентрации основных ионов морской воды во всех океанах Земли отличаются удивительным постоянством. Помимо ионов, морская вода содержит растворенные газы и органические соединения.

Большая часть дождевых осадков, попадающих на континенты, просачивается через отложения, пористые или раздробленные породы, образуя подземные воды. Остальная вода течет по поверхности в виде рек или вновь испаряется в атмосферу. Вода, стекающая по поверхности суши, захватывает многие химические вещества. Речные воды содержат ионы, нейтральные молекулы, взвешенные частицы и существенно отличаются по составу от вод Мирового океана. Солей здесь намного меньше.

СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД (% по массе)
Морская вода Речная вода
Катионы Анионы Катионы Анионы
Na+ 1,08 Cl 1,94 Ca2+ 0,0013 HCO3 0,0059
Mg2+ 0,13 SO42– 0,27 Na+ 0,0005 SO42– 0,0012
Ca2+ 0,04 S2– 0,09 Mg2+ 0,0003 Cl 0,0006
K+ 0,04 HCO3 0,01 K+ 0,0002 S2– 0,0004

Содержание различных веществ в пресных водах меняется в зависимости от местоположения водоема. Химический состав рек, озер и грунтовых вод зависит от состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений, процессов разрушения горных пород и разложения органического вещества в почвах, различного вовлечения в биологические процессы. Кроме того, сильное влияние на пресные воды может оказывать деятельность человека.

Разрушая горные породы, пресные воды обогащаются содержащимися в них элементами. Однако, несмотря на то, что почти все катионы в речной воде появляются в результате выветривания, ионный состав растворенных веществ в пресной воде принципиально отличается от состава континентальной коры. Это особенно заметно для алюминия и железа. Причиной низкой концентрации в природных водах этих достаточно распространенных в земной коре элементов является их склонность к образованию малорастворимых соединений. В то же время катионы с низкими зарядами легко переходят в раствор.

Среди анионов наиболее высоко содержание гидрокарбонат- и сульфат-ионов, извлекаемых водой из горных пород. Так, при прохождении через карбонатные горные породы (например, известняк) природные воды насыщаются гидрокарбонатами. Под действием растворенного в воде диоксида углерода малорастворимый карбонат кальция превращается в гидрокарбонат, хорошо растворимый в воде:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2

При испарении воды, содержащей гидрокарбонат кальция, идет обратная реакция с выделением диоксида углерода и твердого карбоната кальция:

Ca(HCO3)2 = CaCO3Ї + H2O­ + CO2­

Большая часть почвенных вод, питающих реки, и грунтовые воды имеют среду, близкую к нейтральной. Подкисление пресных вод может происходить в результате поступления дождевой воды, обычно имеющей слабокислотную реакцию (за счет растворения диоксида углерода и других газов), а также разложения органических веществ с образованием карбоновых кислот. Несмотря на все большее распространение кислотных дождей, подкисленные пресные воды встречаются не очень часто. Это связано с расходом катионов водорода в процессах разрушения некоторых минералов. Подкисление пресной воды особенно заметно в горных областях с большим количеством дождевых осадков. С 1930 до 1975 величина рН в некоторых озерах на северо-востоке США уменьшилась с 6,7 до 5,1, что вызвало гибель рыбы и других животных. Появление щелочных вод менее вероятно, так как они нейтрализуются такими атмосферными газами, как диоксид углерода и диоксид серы. Тем не менее реки с щелочной средой известны, например, на Ямайке. Обычно это – результат загрязнения воды отходами с высокими значениями рН.

Биологическая активность в воде особенно заметно влияет на ее состав в озерах и крупных реках со слабым течением. Вблизи поверхности идет активный фотосинтез, в результате чего вода обогащается кислородом. Образующиеся органические вещества опускаются в глубинные воды с меньшим содержанием кислорода, где они окисляются, еще более понижая концентрацию кислорода. В некоторых случаях она падает ниже уровня, необходимого для поддержания жизни.

Кроме диоксида углерода, воды и света растениям для роста нужны определенные питательные вещества, в том числе соединения азота и фосфора, которые содержатся в природных водах в низких концентрациях. Если потребность в азоте и фосфоре начинает превышать их доступность, может иметь место химическое ограничение роста. Высокие концентрации соединений азота и фосфора характерны для районов с интенсивным сельским хозяйством. Они могут быть опасными при использовании воды в качестве питьевой. Кроме того, активный рост водорослей приводит к засорению водных фильтров, уменьшению концентрации кислорода, отравлению водоемов, снижению в них биологического разнообразия.

Человек часто нарушает природные процессы в пресных водоемах и прибрежных областях морей и океанов в результате своей хозяйственной деятельности. В результате работы промышленных предприятий и транспорта в природных водах накапливаются тяжелые металлы. Наиболее опасными признаны ртуть, свинец и кадмий, так как они ядовиты даже в малых количествах. Хотя эти металлы до сих пор незаменимы в технике, от некоторых областей их применения человечество отказалось.

НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫЕ ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ
Металл Современное использование Отказались от применения Вредное воздействие
Ртуть Hg Термометры, лампы искусственного света, красители, электроприборы При изготовлении фетровых шляп, в процессах золочения Нарушение обмена веществ, поражение нервной системы
Свинец Pb Аккумуляторы, электрические кабели, припои, красители Для сооружения водопроводов Общее отравляющее действие
Кадмий Cd Покрытия на металлах, красители, никель-кадмиевые источники тока, припои, фотография Для покрытия металлической кухонной утвари Поражение нервной системы, печени и почек, разрушение костей

Среди других загрязняющих веществ наиболее заметны нефть и нефтепродукты, попадающие в природные воды при эксплуатации нефтяных танкеров. Во время разливов нефти особенно страдают птицы. Немалый вред природе наносят органические соединения, содержащиеся в отходах предприятий и в бытовых сточных водах. Попадание этих веществ в природные водоемы приводит к уменьшению содержания растворенного кислорода, который расходуется на их окисление. В результате гибнут рыбы и другие обитатели водоемов.

Особенно чувствительны к загрязнению подземные воды. Это связано с низкими скоростями потока и слабой микробиологической активностью. Основную угрозу для подземных вод составляют утечки из подземных цистерн, а также сток с сельскохозяйственных полей, мест захоронения городских отходов, заброшенных хранилищ вредных веществ. Загрязненные подземные воды могут попадать в реки и озера, в результате чего загрязнение распространяется на поверхностные воды.

Рост населения, промышленности и сельского хозяйства тесно связаны с водными ресурсам, однако прирост ресурсов рождает новые потребности и новые проблемы, в том числе экологические. По-видимому, уже пришло время защищать природные водоемы и их обитателей от вмешательства человека.

Елена Савинкина

ЛИТЕРАТУРА

Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. В четырех книгах (перевод с англ.). М., Мир, 1995
Химия и общество. М., Мир, 1995
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. М., Высш. шк., 1998
Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. М., Мир, 1999