ГИДРОСФЕРА
Общее
железо в воде
Главными
источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы
химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим
разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с
содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами
образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном,
коллоидном и взвешенном состояниях. Значительные количества железа
поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической,
металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и
сельскохозяйственными стоками. Фазовые
равновесия зависят от химического состава вод, рН, Еh (окислительно-восстановительного потенциала) и в некоторой степени от температуры. В
рутинном анализе во взвешенную форму выделяются частицы размером более 0,45
мкм. Она представлена преимущественно железосодержащими минералами, гидратом
оксида железа и соединениями железа, сорбированными
на взвесях. Истинно растворенную и коллоидную формы обычно рассматривают
совместно. Растворенное железо представлено соединениями, находящимися в ионной
форме в виде гидроксокомплексов
и комплексов с растворенными неорганическими
и органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрируют главным
образом Fe
(II), а Fe (III) в отсутствие комплексообразующих веществ
не может в значительных количествах находиться в растворенном состоянии. Железо
обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh. В результате
химического и биохимического (при участии железобактерий) окисления Fe (II) переходит в Fe (III), которое, гидролизуясь, выпадает в осадок в виде Fe (ОН)3 Как для Fe
(II), так и для Fe (III) характерна склонность к образованию гидрооксокомплексов
типа [Fe (ОН)2 ]+ , [Fe2 (ОН)2 ]4+,
[Fe2 (ОН)3 ]3+,
[Fe (ОН)3]- и других, сосуществующих в
растворе в разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние системы
железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe
(III) в поверхностных водах являются его комплексные соединения
с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом
гумусовыми веществами. При рН 8,0 основной формой
является Fe
(ОН)3. Коллоидная форма железа наименее изучена, она представляет
гидрат оксида Fe (ОН)3 и комплексы с органическими веществами. Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли милиграмма в 1 дм3, вблизи болот – единицы
миллиграммов в 1 дм3. Повышенное содержание железа наблюдается в
болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых
кислот – гуматами. Наибольшие концентрации железа (до
нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в
подземных водах с низкими значениями рН. Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени
влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры
в водоеме. Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в
водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней
стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды.
Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия)
сопровождается окислением Fe(II) в Fe(III) и выпадением последнего
в виде Fe(OH)3. Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe
/дм3 значительно ухудшает органолептические свойства, придавая ей
неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования в
технических целях. ПДК железа составляет 0,3 мг Fe /дм3 (лимитирующий
показатель вредности – органолептический), ПДК – 0,1 мг /дм3 (лимитирующий
показатель вредности – токсикологический). Железо образует 2 рода растворимых солей, образующих катионы Fе2+ и Fе3+,
однако в растворе железо может находиться и во многих других формах, в
частности: 1) в виде истинных растворов (аквакомплексов)
[Fе(H2O)6]2+,
содержащих железо (II). На воздухе железо (II) быстро окисляется до железа (III),
растворы которого имеют бурую окраску из-за быстрого образования гидроксосоединений (сами растворы Fе2+
и Fе3+ практически бесцветны); 2)
в виде коллоидных растворов из-за пептизации
(распада агрегированных частиц) гидроксида железа
под воздействием органических соединений; 3)
в виде комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами.
К ним относятся карбонилы, ареновые
комплексы (с нефтепродуктами и др. углеводородами), гексацианоферраты
[Fе(СH)6]4- и др. В нерастворимой форме железо может быть представлено в виде различных
взвешенных в воде твердых минеральных частиц различного состава. При рН>3,5 железо (III) существует
в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН>8 железо (II) тоже существует в виде аквакомплекса,
претерпевая окисление через стадию образования железа (III): Fе(II) Þ Fе(Ш) Þ FеО(ОН)•Н2О В качестве
примера сложных превращений железа в разных его формах, присутствующих иногда
в природных водах, приведем уравнения реакций, протекающих в болотных водах и
объясняющих часто встречающийся красный цвет воды (феномен «красных рек»). В
условиях пониженного значения рН, характерного для
болотных вод, протекают окислительные реакции с участием растворенного кислорода.
В частности, встречающийся в природе практически нерастворимый в воде дисульфид
железа (минерал пирит) окисляется до сульфата железа (II): 2FеS2+7О2+2Н2О=2Fе2++4SО42-+4Н+ Далее, также под
воздействием кислорода, протекает окисление сульфата железа (II): 4Fе2++О2+4Н+=4Fе3++2Н2О Заключительной
стадией процесса является реакция гидролиза, приводящая к образованию
красно-бурого осадка гидроксида железа (III): Fе3++3Н2О=Fе(ОН)3
↓ +3Н+ |
| |