Вода как минерал виды

Научная электронная библиотека

Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н.,

3. Вода в минералах. Классификация

Относительно воды в минералах в литературе существуют самые различные термины и классификации. Остановимся вкратце на них, чтобы было ясно, относительно какой из разновидностей воды идет речь. По литературным данным [2] вода в минералах бывает: конституционная, кристаллизационная, вода твердых коллоидов, межплоскостная, межслоевая, гигроскопическая, физически связанная, химически связанная, цеолитная и адсорбционная.

Вода конституционная находится в кристаллической решетке минерала в виде ионов ОН 1- , реже Н 1- и оксония Н₂О + ; она переходит в молекулярное состояние лишь при разрушении структуры минерала. При нагревании выделение конституционной воды у каждого минерала происходит в определенном интервале температур от 300 до 1000°С [2].

Кристаллизационная вода находится в решетке в виде нейтральных молекул Н₂О, занимающих определенные места. Выделение кристаллизационной воды при нагревании происходит при температуре ниже 300°С. Различаются два типа кристаллизационной воды. Типичная кристаллизационная вода выделяется в узком интервале температур с полным разрушением и перестройкой структуры минерала с изменением его физических свойств: показатель преломления, удельный вес и др. Цеолитная вода может выделяется постепенно, в большом интервале температур, и вновь поглощаться при изменении условий, без нарушения физической однородности вещественного состава, но с изменением всех его физических свойств (например, прозрачности, показателя преломления и т. д.).

Молекулы адсорбционной воды находятся на поверхности кристаллических частиц и легко удаляются при нагревании. Различают межплоскостную воду, адсорбированную на поверхности отдельных слоев в минерале, воду твердых коллоидов (затвердевших гелей) и гигроскопическую воду, механически примешанную к минералу, которая при нагревании полностью удаляется при температуре 105-110°С. Межплоскостная вода в минералах — вода, характерная для некоторых минералов слоистой структуры (например, монтмориллонита, слюд). Молекулы этой воды располагаются иногда в несколько слоев между нейтральными слоями решетки. По своему типу она приближается к кристаллизационной, а по поведению близка к цеолитной воде, но, в отличие от последней, при выделении ее объем минерала уменьшается, а удельный вес и показатель преломления увеличиваются.

Адсорбционная вода — молекулы связаны с поверхностью кристаллических частиц, образуют вокруг частиц гидратные оболочки.

Такое большое разнообразие терминов по определению воды в минералах вносит большую путаницу, и порой сложно определить, с какой водой имеем дело. Нужна более строгая классификация воды и более современный метод ее отнесения. Наиболее надежными методами являются метод ЯМР и метод ИК-спектроскопии, которые позволяют классифицировать ее по энергии связи с минералом 3.

Горные породы характеризуются влагоемкостью и водоотдачей. Влагоемкостью называется способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды. Высокой влагоемкостью обладают глины; средней — мелкие пески; слабой — галечники. Влагоемкость, определяемая силами молекулярного притяжения на поверхности частиц пород, зависит от диаметра этих частиц. Так, например, влагоемкость частицы диаметром 1 мм равна 1,6%, а диаметром менее 0,005 мм — 45%.

Водоотдача — отношение количества воды, которое может отдать порода, к общему содержанию воды в ней. Здесь зависимость диаметрально противоположна: процент водоотдачи тем больше, чем крупнее частицы породы. Так, у галечников она максимальная, а у глин минимальная.

Источник

Вода как минерал виды

Советский учёный В. И. Вернадский придавал особое значение воде как водородистому минералу, замечая, что «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могли бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала горной породы, живого тела, которое её бы не заключало. Всё земное вещество ею проникнуто и охвачено».

Вернадский рассматривает воду к ак своеобразный минерал . Им формируется самостоятельное научное направление — минералогия природных вод.

Основываясь на идее «Вода — это минерал», В.И Вернадский сделал первую попытку систематики природных вод, считая, в чем был, безусловно, прав, что намеченные линии или принципы классификации будут иметь в последующем научное значение.
На базе минералогических идей им разработана, как отмечает С.Л. Шварцев, «беспрецедентная по своим масштабам и глубине непревзойденная никем в мире классификация природныхвод».

В основу классификации положен принцип разделения на подгруппы, классы, царства, подцарства, семейства и виды минералов. Всего выделено 3 подгруппы, 9 классов, 19 царств, 43 подцарства, 143 семейства, 485 вида минерала, число которых по мнению В.И. Вернадского должно быть увеличено до 1500. Списки классификации, как писал автор «охватывают лишь 20 — 30% существующих и встреченных нами тел. Он явно пополнится, как только изучение природных вод войдет в задачи минералогии. Значительное большинство из них недоступны сейчас для нашего непосредственного изучения, но из доступных мы знаем сейчас много меньше половины».

В дальнейшем А. И. Перельман, активно развивал направление исследований В. И. Вернадского. Он пытался преобразовать классификацию и создать более приемлемую для практики геохимическую классификацию. В основу были положены иные принципы классификации. В настоящее время это направление исследований продолжает С.Л. Шварцев.

«История природных вод» В.И. Вернадского,– уникальная по глубине проникновения в тайны гидросферы книга, которая до сих пор не только не имеет аналогов в мире, но даже какого – либо приближения к ее содержанию по сгустку развитых идей. Поражают недоступные пока еще никому широта и глубина охвата поднятых в ней проблем геологии воды, взаимодействия природных вод и живого вещества, особой роли воды в становлении и развитии жизни, всего окружающего мира, Земли в целом». (Шварцев, 2003г.)

Источник

Обзор видов минеральных вод

Что такое минеральные воды? Какие бывают виды минеральных вод и чем они отличаются друг от друга? Попробуем ответить на эти часто задаваемые вопросы.

ДЕЛЕНИЕ ПО ИОНАМ

Перед тем мы рассмотрим минеральные воды по содержанию минералов, опишем сначала не соли, а ионный состав, и другие, не менее важные показатели минвод.

Ионный состав минеральных вод

Анионный состав воды

В большинстве из нескольких десятков классификаций подземных вод по ионному составу, применяется процент-эквивалентная форма выражения состава вод. Главными в природных водах являются шесть ионов, к которым относятся три аниона, т.е отрицательно заряженных иона — хлор Cl (-), сульфат SO2 (-) и гидрокарбонат НСО3 (-) , и три катиона, положительно заряженных иона — натрий Na (+), кальций Ca2 (+) и магний Mg2 (+). Сочетание преобладающих в растворе ионов характеризует химический состав подземных вод (гидрокарбонатно-кальциевые, хлоридно-гидрокарбонатные натриевые, гидрокарбонатно магниево-кальциевые и др.).

Все авторы сходятся во мнении, что таксономическое значение анионов выше, чем катионов. В результате воды могут быть разделены на три основных химических типа, определяемых анионным составом компонентов: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Гидрокарбонатные (щелочные), где преобладают растворенные соли угольной кислоты:

Сульфатные, где преобладают сульфатные соли:

Хлоридные, где преобладают хлоридные соли:

Все многообразие подтипов определяется различными соотношениями катионов щелочных и щелочно-земельных металлов, а также присутствием газов (O₂, N₂, H₂S, CH₄, CO₂, H₂), которые зачастую в большей степени, чем соли, предопределяют химическую обстановку в термальных водах.

Газосодержание

Газосодержание — это количество всех газов, растворенных в минеральной воде. Газонасыщенность термальных вод характеризуется как:

• слабая до 100 мг/л
• средняя 100-1000 мг/л
• высокая более 1000 мг/л

Растворимость газов в воде зависит от давления, температуры, химического состава воды и газа. Растворимость газов растет с повышением давления и уменьшается с повышением температуры. Поскольку рост давления дает больший эффект, чем рост температуры, растворимость газов в подземных водах увеличивается с глубиной. Воды, залегающие на больших глубинах, нередко содержат в растворенном состоянии огромное количество газов, достигающее 10 к 1 (10 м 3 в 1 м3 воды).

Среди газов, сопутствующих подземным водам, наиболее широко распространены азот N₂, углекислота CO₂ , сероводород H₂S, метан CH₄, тяжелые углеводороды (этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ и др.). В малых количествах встречаются аргон Ar, гелий He и некоторые другие газы.

Газовый и ионный составы подземных вод тесно связаны друг с другом. При увеличении концентрации соли растворимость газов в воде падает. В свою очередь, наличие в воде растворенных газов влияет на переход в раствор некоторых солей. В свою очередь дегазация воды может повлечь частичное выпадение солей в осадок.

Суммарное содержание органического углерода

Во всех подземных водах содержатся обладающие биологической активностью соединения и микроэлементы, а так же органические вещества.

Общее количество органического углерода в подземных водах составляет десятки и сотни миллиграммов в 1 л. В них обнаружено наличие углеводородов, органических кислот, фенолов и других соединений. Эти органические вещества поступают в подземные воды в результате биохимических процессов, а так же выщелачивания из горных пород и взаимодействия с нефтяными залежами.

Радиоактивность

Радиоактивность минеральной воды в первую очередь связана с наличием в ней радона.

Реакция воды

Реакция воды, т.е. степень кислотности или щелочности, выражаемая через величину pH. Имеет важное значение для оценки её лечебного действия как при приеме в виде ванн и душа, так и при внутреннем в виде питья.

Щелочно-кислотные свойства воды определяются концентрацией ионов водорода H + , которая зависит от содержания в воде двуокиси углерода и гидролизующихся солей тяжелых металлов. В обладающей нейтральной реакцией чистой воде, ионы водорода возникают за счет диссоциации (распада) самих молекул воды, причем их концентрация одинакова с концентрацией гидроксильных ионов OH − и равна 10−7 г · ион/л. Поскольку величина эта очень мала, обычно выражают концентрацию водородных ионов только показателем степени, взятым с обратным знаком, и обозначают через pH. Если среда имеет нейтральную реакцию, то ее pH = 7. В кислой среде pH меньше 7, в щелочной среде — больше 7.

Таким образом, по значению pH воды делятся на: сильнокислые (pH ≤ 3,5); кислые (3,5 — 5,5); слабокислые (5,5 — 6,8); нейтральные (6,8 — 7,2); слабощелочные (7,2 — 8,5) и щелочные (pH > 8,5).

Жесткость воды

Жесткость воды определяют по содержанию в воде ионов кальция и магния и выражают в мг-экв/л. По общей жесткости воды подразделяются:

• очень мягкие – до 1,2 мг-экв/л
• мягкие – 1,2-2,8 мг-экв/л
• средние – 2,8-5,7 мг-экв/л
• жесткие – 5,7-11,7 мг-экв/л
• очень жесткие – более 11,7 мг-экв/л

Кроме того, различают жесткость общую, карбонатную и некарбонатную. Общая жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней кальция и магния. Карбонатная жесткость определяется наличием в воде бикарбонатов кальция и магния, некарбонатная жесткость — наличием солей сильных кислот кальция и магния.

Температура воды

На нижней границе земной коры температура вод может достигать 500-600 °С, а в зонах магматических очагов до 1000-1200 °С. В артезианских бассейнах молодых плит на глубине 2-3 км скважинами вскрываются воды с температурой 70-100°С и более.

• Отрицательно температурные воды — криопэги (от 0 до –36 °С).
• Положительно температурные воды — пэги (от 0 до +20 °С) и термы:

1. Теплые и горячие (от 0 до + 100 °С). Теплые термы (32-42 °С) широко используются в бальнеотерапии. Горячие термы широко применяются для плавательных бассейнов и теплоэнергетического снабжения жилых и производственных зданий (например, центральное отопление г. Рейкьявик, Исландия, г. Петропавловск-Камчатский, Россия).
2. Сверхгорячие (перегретые) воды — супертермы (+ 100–+700). Сжатая твердыми горными породами, не способная расшириться для перехода в газообразное состояние, эта вода вырывается на поверхность в форме фонтана горячей воды – гейзера.
3. Горячие пары (газ и пар) — вапортермы (>700°С). Супертермы и вапотермы используются в основном для выработки электроэнергии.

В бальнеотерапии термальные воды подразделяют на:

• тёплые (субтермальные) — 20-35 °С,
• термальные (горячие) — 35-42 °С
• очень горячие (гипертермальные) — свыше 42°С.

ДЕЛЕНИЕ ПО СОЛЯМ

Виды минеральной воды по наличию минералов (соли)

Минерализация воды — это суммарное содержание в воде растворенных ионов, солей и коллоидов (исключая газы). Этот общий показатель выражается в граммах минералов на один литр раствора (г/л). Измеряется по сухому остатку.

• Ультрапресная вода — до 0,1 г/л
• Пресная вода — 0,1-1,0 г/л
• Слабоминерализированная вода — до 2 г/л.
• Вода малой минерализации — 2-5 г/л.
• Вода средней минерализации — 5-15 г/л.
• Вода высокой минерализации — 15-35 г/л.
• Рассолы — 35-150 г/л.
• Крепкие рассолы — свыше 150 г/л.

Вода, используемая в бальнеотерапии, может иметь минералы как природного происхождения, так и быть минерализированной, то есть искусственно обогащенной минералами (а так же ионами или газом). Если характер минерализированной воды имеет постоянный уровень и неизменную пропорцию концентрации компонентов, то считается, что минеральные и минерализированные ванны имеют одинаковую силу лечебного воздействия на организм. Здесь и далее на страницах сайта, термины «минеральная» и «минерализированная» следует считать синонимами.

Перечислим основные группы минеральных вод по солевому составу, при этом отметив, что кроме указанных ниже минеральных вод, существуют а) промежуточные виды, и б) внутри каждой есть и гидрохимические подтипы.

Воды без специфических свойств и компонентов

Лечебный потенциал этих вод обусловлен ионным составом и степенью минерализации, а газовый компонент представлен азотом и/или метаном в незначительном количестве.

Воды бикарбонатные

Бикарбонатные воды (гидрокарбонаты) – одни из самых распространенных в природе. Например, пресные воды большей частью относятся к гидрокарбонатному типу, у большинства питьевых лечебных и лечебно-столовых минеральных вод гидрокарбонатно-натриевый состав и т.д.

К бикарбонатным относятся воды, где содержание бикарбонатов более 0,6 г/л. Подземные воды обычно содержат более 10, но менее 800 частей на 1 млн. (миллионная доля — ppm) бикарбоната. Наиболее распространены концентрации 50—400 ppm.

Если в 40 литрах пресной воды растворить 1 таблетку спа-соли Uni Tabs (Япония), то концентрация бикарбонатов в воде составит 200 ppm. Если же её растворить в 1 литре, она будет им просто переполнена – 8 000 ppm (Исследование Токийского Научно-исследовательского Института изучения воды).

Большинство карбонатных и бикарбонатных ионов поступают в подземные воды за счет двуокиси углерода почвы, углекислого газа атмосферы и растворения карбонатных пород. Во многих водах нефтяных месторождений и иногда в подземных, бикарбонаты образуются благодаря двуокиси углерода, возникающем при преобразовании органических соединений рыхлых осадков в осадочные горные породы (диагенеза).

Щелочность воды почти исключительно вызывается присутствием бикарбонатных и карбонатных ионов. Очень редко, при рН менее 4,5, в подземных водах бикарбонат, реагируя с ионами водорода, переходит в угольную кислоту. При рН более 8,2 бикарбонатные ионы распадаются (диссоциируют) на карбонатные и водородные.

Воды углекислые

Эти воды характеризуются содержанием свободного угольного ангидрида в таком большом количестве, что получают отдельную классификацию, даже если многие из них принадлежат к бикарбонатным водам. Всегда в углекислых водах кроме углекислого ангидрида присутствует значительное содержание бикарбонатов.

Воды хлоридно-натриевые

Хлоридно-натриевые воды (NaCl) основа морской воды и коммерческой соли для ванн. Составляют большинство лечебно-питьевых вод, которые продают в бутылках. Это солёная и горько-солёная вода. Катионный состав хлоридной группы чаще представлен натрием, который в сочетании с хлором образует поваренную соль. Встречается в природе в виде минерала галита (каменной соли).

Воды сероводородные (сульфидные)

Это воды различной минерализацией и ионным составом, преобладающим элементом в которых является сера. К сульфидным относят воды содержащие свыше 10 мг/л общего сероводорода.

В зависимости от концентрации различают слабосероводородные воды (10-50 мг/л), средней концентрации (50-100 мг/л), крепкие (100-250 мг/л) и очень крепкие (свыше 250 мг/л).

Лечебное действие сероводородных вод связано в первую очередь со свободным сульфидом водорода, который обладает активными химическими свойствами. В механизме терапевтического действия сероводородных вод большая роль отводится гормональным сдвигам, изменениям функции симпатико-адреналовой системы, состоянию иммунологической реактивности. Из воды в организм сульфид водорода проникает через кожу, слизистые оболочки и дыхательные пути. Длительность циркуляции в крови сероводорода невысока – газ очень быстро окисляется в печени и выводится из организма.

Поэт и публицист И.С. Аксаков в 1848 году писал о силе серных источников: «…Серные воды во многих случаях делают просто чудеса, особенно в отношении ревматизмов. Я сам видел безногих, которые начинали ходить, разбитых параличом, которые теперь танцуют, покрытых золотушною корью и шапкою на голове, которые облупились теперь, как яичко и стали почти красавцами; впрочем, большая часть из них приехали на второй год или взяли более шестидесяти ванн…»

Воды железистые

Это воды содержащие железо (Fe ++ + Fe +++ ) не менее 20 мг/л. Образуются из атмосферных вод, выщелачивающих различные горные породы и минералы, содержащие железо. В зависимости от геологических условий железом могут обогащаться воды очень разного ионного и газового состава и минерализации, в особенности воды, обладающие кислой реакцией — углекислые и сернокислые.

Выделяют 4 основные группы железистых вод, различаемых по составу, происхождению и их использовании в бальнеотерапии.

• Азотные слабоминерализованные (менее 2 г/л), разного ионного состава с содержанием железа 20—90 мг/л.
• Углекислые, слабоминерализованные. В основном это гидрокарбонатные воды, с минерализацией до 5 г/л и содержанием железа 20— 60 мг/л.
• Азотные сульфатные, кислые, полиметаллические («купоросные») воды, образующиеся в зоне окисления рудных месторождений, иногда с высокой минерализацией (до 100 г/л), в которых железо содержится в очень больших количествах (до нескольких граммов на 1 л), часто в сочетании с высокими концентрациями ионов алюминия, меди, цинка и др. металлов.
• Слабоуглекислые (иногда сероводородно-углекислые), сульфатные и сульфатно-хлоридные, слабоминерализованные термальные, сильно кислые («фумарольные») воды, образующиеся в областях современного вулканизма, с очень высоким содержанием ионов железа и алюминия — до 1 г/л и более.

Главная бальнеологическая ценность железистых вод заключается в высокой концентрации ионов активного железа, степень которой неодинакова в различных перечисленных выше группах вод.

Воды бромные, йодные и йодобромные

Воды с повышенным содержанием минералов, которые имеют морское происхождение. Содержание брома (Br) связано с процессами концентрирования вод морского генезиса, йода (I) — с процессами выщелачивания морских осадочных пород, которые богаты органическими веществами. К йодобромным относят воды, содержащие брома не менее 25 мял, и йода, содержание которого не менее 5 мг/л из расчета на воду с минерализацией 10 г/л.

Йодобромные воды — хлоридные, реже гидрокарбонатно-хлоридные натриевые с минерализацией 10—25 г/л, с содержанием брома 25— 100 мг/л и йода 5—45 мг/л, преимущественно с количественным преобладанием брома над йодом.

Бромные и йодные воды близки по химическому составу и происхождению. Бромные воды широко распространены в природе, обычно они хлоридные натриевые, реже кальциево-натриевые с минерализацией от 5—10 до 250—300 г/л, а иногда и выше, с содержанием брома от 25—30 до 700— 800 мг/л и более. Значительно реже встречаются йодные воды (хлоридные или хлоридно-гидрокарбонатные) с минерализацией 10—15 г/л и содержанием йода 10—25 мг/л.

Воды кремнистые гипертермальные (термы)

Это воды с кремниевой кислотой и температурой боле 35°С.

Воды мышьяковистые

Воды, содержащие мышьяк в количестве более 0,7 мг/л, преимущественно в форме мышьяковистой кислоты, а также продуктов ее распада. Обогащение мышьяком подземных вод происходит в процессе активизации выщелачивания в условиях повышенной температуры и давления.

По содержанию мышьяка (As) мышьяковистые воды разделяют на слабые мышьяковистые (As 0,7—5,0 мг/л), крепкие мышьяковистые (As от 5,0 до 10 мг/л), и очень крепкие мышьяковистые (As св. 10 и примерно до 100 мг/л).

По величине pH все мышьяковистые воды являются слабокислыми (почти нейтральными). По ионно-солевому составу мышьяковистые воды в основном относятся к гидрокарбонатным кальциево-натриевым и хлоридно-гидрокарбонатным натриевым или гидрокарбонатно-хлоридным натриевым водам. Наиболее частое применение в бальнеотерапии имеют углекислые мышьяковистые минеральные воды, насыщенность которых углекислым газом достигает 3.5 — 9,0 г/л.

Воды радиоактивные

Эти воды имеют особое физическое свойство — радиоактивность, которая может содержаться в различных элементах, входящих в состав воды. Самые важные содержат признаки радиоактивных субстанций (радон).

Воды борсодержащие

Это минеральные подземные воды с концентрацией метаборной кислоты не менее 50 мг/л. В бальнеотерапии их применяют как для внешних процедур в виде ванн или душа, так и в виде питья.

По газовому составу борсодержащие минеральные воды разделяют на следующие группы:

• углекислые,
• метановые и азотно-метановые,
• азотно-углекислые,
• слабоуглекислые фумарольные.

Только что, мы рассмотрели все виды минеральных вод. Теперь вы знаете к какому виду относится термальная бикарбонатная вода, её место в классификаторе. Сравнение минеральных ванн по показаниям и противопоказаниям всех трех анионных групп см. здесь.

Источник