3.4 Классификация вод по химическому составу

По О.А.Алехиной, принцип деления на классы состоит в преобладающем соотношении катионов и анионов:

Особенности солевого состава атмосферных осадков, речной и морской воды

По количеству солей все природные воды можно расположить в ряд:

----------------------------------------------------------------------------------------------------

Соли морские воды речные воды атмосферные осадки

----------------------------------------------------------------------------------------------------

CL 88,7 5,2 15

SO4 10,8 10 54

СО3 0,3 60 32

Прочие 0,2 24,8 1

К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относятся отрицательно заряженные ионы (анионы) — НСО₃^- — гидрокарбонатный, SO₄^2- — сульфатный, С1^- — хлоридный и поло­жительно заряженные ионы (катионы) — кальция Са²⁺ , магния Mg²⁺, натрия Na⁺ и калия К⁺ .

Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: гидрокарбонатный, сульфатный и хлоридный; по преоблада­ющему катиону на три группы: кальциевую, магниевую, натриевую.

Природные воды различного происхождения обычно имеют и различный солевой состав и относятся соответственно к разным классам и группам. Обнаружена связь солевого состава природных вод с их минерализацией или соленостью (рис.3.4.1.): в пресных водах пре­обладают ионы Н₃SiO₄^-, НСО_з^-, Са ⁺; в солоноватых — SO₄^2-, Na ⁺ ; в соленых — Cl ^-, Na ⁺ .

Рис. 3.4.1. Зависимость содержания главных анионов а и катионов б в солевом составе природных вод (в %) от минерализации воды

по М.Г.Валишко

Речные воды, как правило, относятся к гидрокарбонатному клас­су и кальциевой группе. Подземные воды нередко относятся к суль­фатному классу и магниевой группе. Воды океанов и морей принадлежат к хлоридному классу и натриевой группе.

Сумма концентрации наиболее распространенных двухвалентных катионов Са²⁺ и Mg²⁺ называется общей жесткостью воды. Повы­шенная жесткость обусловлена растворением в воде горных пород, содержащих карбонаты и сульфаты кальция и магния.

Газы хорошо растворяются в воде, если способны вступать с ней в химические связи (аммиак NH₃, сероводород H₂S, сернистый газ SO₂, диоксид углерода, или углекислый газ СО₂, и др.). Прочие газы мало растворимы в воде. При понижении давления, повышении температуры и увеличении солености растворимость газов в воде уменьшается.

Наиболее распространенные газы, растворенные в природных водах,— это кислород О₂, азот N₂, диоксид углерода СО₂, сероводо­род H₂S. Источниками поступления газов в воду служат атмосфера (в основном для О₂, N₂, CO₂), жизнедеятельность растений (О₂), разложение органического вещества (СО₂, СН₄, H₂S).

На практике нередко пользуются относительной характеристикой содержания в воде растворенных газов — процентом насыщения А, который равен А = (Ф/Р) • 100%, где Ф — фактическое содержание газа, Р — равновесная концентрация в воде при данной температу­ре. Если фактическое содержание газа в воде больше равновесной концентрации и величина A>100%, то происходит выделение газа в атмосферу. Если вода не насыщена газом и А< 100%, то происхо­дит поглощение водой газа из атмосферы.

Важные особенности природных вод определяются содержанием в них угольной кислоты Н₂СО₃ и ее форм — ионов НСО₃^-и СО₃^-, а также диоксида углерода СО₂. Перечисленные вещества находятся в воде в состоянии так называемого карбонатного равновесия:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃^- =2Н ⁺ + СО₃^2-

Добавление ионов водорода Н⁺ (сильной кислоты) смещает карбонатное равновесие влево (в сторону кислой реакции) и пе­реводит карбонаты (СО₃^-)и бикарбонаты (НСО₃^-) в углекислоту (Н₂СО₃) и диоксид углерода (СО₂). Добавление же ионов гидроксила ОН - (сильного основания) влечет за собой уменьшение концен­трации ионов Н+ и смещает карбонатное равновесие вправо, в сто­рону образования карбонатов и бикарбонатов.

Соотношение различных форм угольной кислоты в воде и прежде всего растворенного СО₂ и иона НСО₃^- — главный фактор, опреде­ляющий величину рН. Уменьшение содержания в воде диоксида углерода СО₂ вследствие его выделения в атмосферу или в результа­те фотосинтеза влечет за собой повышение величины рН, превраще­ние угольной кислоты в бикарбонаты и бикарбонатов в карбонаты. Растворение углекислых солей кальция и магния также ведет к уве­личению рН. Наоборот, увеличение содержания в воде СО₂ вследст­вие поступления из атмосферы, дыхания организмов и окисления органических веществ сопровождается превращением карбонатов в бикарбонаты и уменьшением рН. Осаждение карбонатов вызыва­ет превращение бикарбонатов в диоксид углерода и также уменьша­ет рН.

По О. А. Алекину, величина рН составляет: в рудничных водах менее 4,5, в водах болот 4,5—6, в подземных водах 5,5—7,2, в реках и озерах 6,8—8,5, в океанах 7,8—8,3, в соленых озерах обычно более 8,5.

К числу так называемых биогенных веществ, растворенных в во­де и потребляемых в процессе жизнедеятельности организмов, отно­сятся соединения азота N, фосфора Р, кремния Si. Эти вещества поступают в воду из атмосферы, грунтов, а также при разложении сложных органических соединений. Их источником служат также промышленные, сельскохозяйственные и бытовые стоки.

Содержатся в воде и различные растворенные органические вещества: углеводы, белки и продукты их разложения, липиды — эфиры жирных кислот, гуминовые вещества и др.

Микроэлементами называют вещества, находящиеся в воде в ма­лых количествах (менее 1 мг/л), или «следах». Многие микроэле­менты в очень малых концентрациях необходимы для жизнедеятель­ности организмов, а в повышенных концентрациях могут стать ядами. К числу наиболее распространенных микроэлементов отно­сятся бром Вr, иод I, фтор F, литий Li, барий Ва, так называемые«тяжелые металлы» — железо Fe, никель Ni, цинк Zn, кобальт Со, медь Сu, кадмий Cd, свинец РЬ, ртуть Hg и др.

К микроэлементам в природных водах относятся и радиоактив­ные вещества как естественного (калий ⁴⁰К, рубидий ⁸⁷Rb, уран ²³⁸U, радии ²²⁶Rа и др.), так и антропогенного (стронции Sr, цезии Cs и др.) происхождения.

Таким образом, содержащиеся в растворенном состоянии в воде ионы солей, газы, биогенные и органические вещества, микроэле­менты различаются как по концентрации, так и по роли в физиче­ских, химических и биологических процессах в водной среде.

Особую категорию содержащихся в воде веществ составляют так называемые загрязнители, т.е. вещества, оказывающие вредное воз­действие на живую природу. Это прежде всего нефтепродукты, ядохимикаты (пестициды, гербициды), удобрения, моющие средства (детергенты), некоторые микроэлементы (очень токсичны тяжелые металлы — ртуть, свинец и кадмий), радиоактивные вещества. Боль­шая часть загрязнителей имеет антропогенное происхождение, хотя существуют и естественные источники загрязнения природных вод.

Особенности химического состава природных вод вместе с неко­торыми их физическими свойствами, о которых пойдет речь ниже, часто объединяются в понятие «качество воды», при этом обычно имеют в виду пригодность вод для какого-либо использования. Поэтому качество воды — характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретного водопользования.

Контрольные вопросы:

1. Строение молекулы воды.

2. Микроэлементы в воде?

3. Что означает показатель pH?

4. Какие вещества относятся к загрязнителям воды?

5. Анионы и катионы воды?

ЛЕКЦИЯ 4. Вода как растворитель