Окислительно-восстановительная химия природных вод

Окислительно-восстановительная химия определяет степень окисления углерода, азота, серы, железа и многих других элементов в природных водах, структурируя водные системы от оксидных поверхностных вод до аноксидных отложений.

Definition

Изучение реакций переноса электронов и окислительно-восстановительных условий, которые контролируют степени окисления растворенных и взвешенных частиц в природных водах.

Scope

Эта тема охватывает окислительно-восстановительные равновесия и кинетику в природных водах, использование активности электронов (pE) и Eh в качестве основных переменных, последовательность использования микробиологически опосредованных акцепторов электронов и окислительно-восстановительные превращения ключевых элементов на границах оксидных и аноксидных зон.

Core questions

• Как pE и Eh описывают окислительно-восстановительные условия в воде?
• Почему акцепторы электронов используются в предсказуемой последовательности?
• Как окислительно-восстановительные переходы контролируют химию железа, марганца, серы и азота?
• В каких случаях кинетика, а не равновесие, определяет окислительно-восстановительные результаты?

Key theories

Окислительно-восстановительная лестница акцепторов электронов

По мере окисления органического вещества микробные сообщества используют акцепторы электронов в порядке убывания энергетического выхода, от кислорода через нитраты, оксиды марганца и железа, сульфаты и, наконец, диоксид углерода, создавая характерную вертикальную окислительно-восстановительную зональность.

Mechanisms

Активность электронов (pE) и pH совместно определяют поля стабильности для окислительно-восстановительных видов, что суммируется в pE-pH диаграммах. В отложениях и стратифицированных водах микробное дыхание потребляет кислород, а затем последовательно акцепторы с более низкой энергией, вызывая восстановление нитратов, оксидов металлов и сульфатов, а также мобилизуя или иммобилизуя связанные элементы.

Clinical relevance

Окислительно-восстановительные условия контролируют подвижность железа, марганца, мышьяка и питательных веществ, влияя на качество подземных вод, высвобождение загрязняющих веществ из отложений и проектирование систем очистки.

History

Концепция pE-pH была адаптирована из геохимии в водную химию в середине 20-го века, а микробный контроль последовательности окислительно-восстановительных процессов был уточнен в ходе последующих биогеохимических исследований.

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

Почему мышьяк иногда появляется в подземных водах?

Восстановительные условия могут растворять оксиды железа, которые удерживают мышьяк, высвобождая его в подземные воды; таким образом, окислительно-восстановительная химия контролирует эту важную проблему загрязнения.