Химический состав воды

     ВВЕДЕНИЕ 

       Если капельку природной воды нанести на стекло и подождать, пока она испарится, то на месте капли будут видны белые разводы - это кристаллизуются растворимые в воде соли. Содержание солей в природных водах различается в тысячи раз. Например, в литре дождевой воды содержатся единицы, максимум десятки миллиграммов солей. А в литре воды из залива Кара-Богаз-Гол (Каспийское море) - 300 г, почти треть от массы раствора.

        В настоящее время всё большую актуальность приобретает проблема очистки, или правильнее сказать подготовки воды. Причём не только воды для питья и приготовления пищи, но и той, которая используется в быту - для стирки, мытья посуды и т.д. Существует проблема, общая как для загородных домов с автономной системой водоснабжения, так и для городских квартир. Имя этой проблемы - жёсткость воды. И если на качество питьевой воды жёсткость хоть и влияет, но не столь сильно, то для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жесткостью крайне актуальна. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ 

     Если  капельку природной воды нанести  на стекло и подождать, пока она испарится, то на месте капли будут видны  белые разводы - это кристаллизуются  растворимые в воде соли. Содержание солей в природных водах различается  в тысячи раз. Например, в литре  дождевой воды содержатся единицы, максимум десятки миллиграммов солей. А в  литре воды из залива Кара-Богаз-Гол (Каспийское море) - 300 г, почти треть  от массы раствора.

     Основные (преобладающие) компоненты

     В водных растворах подавляющее большинство  солей существует в виде ионов. В  природных водах преобладают  три аниона (гидрокарбонат HCO₃^-, хлорид Cl^- и сульфат SO₄^2-) и четыре катиона (кальций Ca²⁺, магний Mg²⁺, натрий Na⁺ и калий K⁺) - их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния - горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах свыше 90-95 %, а в высокоминерализованных - свыше 99 % всех растворенных веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов считают 1 мг/л, поэтому в ряде случаев, например для морских и некоторых подземных вод, к главным компонентам можно отнести также Br^-, B³⁺, Sr³⁺ и др. Отнесение ионов K⁺ к числу главных является спорным. В подземных и поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках ионы K⁺ могут играть главную роль.

     Однако  ионная форма главных компонентов  свойственна в полной мере лишь маломинерализованным водам. При увеличении концентрации между ионами усиливается взаимодействие, направленное на ассоциацию, т.е. процесс, обратный диссоциации. При этом образуются ассоциированные ионные пары, например MgHCO₃⁺, CaHCO₃⁺.

     Под влиянием климатических и других условий химический состав природных  вод изменяется и приобретает  характерные черты, иногда специфические  для различных видов природных  вод (атмосферные осадки, реки, озера, подземные воды).

     Атмосферные осадки из всех природных вод наименее минерализованы, но по химическому составу растворенных в них веществ они не менее разнообразны, чем другие природные воды. Источником их состава являются аэрозоли атмосферы. Ионный состав их довольно разнообразен. При колебаниях средней многолетней минерализации атмосферных осадков в европейской части России в пределах 10-20 мг/л и экстремальных значениях для всей территории 3-4 и 50-60 мг/л ионный состав характеризуется пестротой, причем среди анионов большей частью преобладает SO₄^2- или HCO₃^-, а среди катионов в зависимости от степени удаленности от побережья Ca²⁺ или Na⁺. Непосредственно у побережья при ветре, дующем с моря, в результате ветрового механического выноса солей концентрация хлора в осадках бывает повышенной. По мере удаления от побережья относительная концентрация Cl^- падает, а SO₄^2-, Ca²⁺ и Mg²⁺, наоборот, повышается. Причиной повышения содержания SO₄^2- и Ca²⁺ является обогащение атмосферы аэрозолями континентального происхождения. По мере продвижения в глубь континента часть морских аэрозолей вымывается. Наибольшие изменения испытывает концентрация SO₄^2-. Если увеличение содержания Ca²⁺ и Na⁺ связано, скорее всего, с минеральной пылью почв и пород, на поверхности которых всегда присутствуют эти соли, то увеличение содержания SO₄^2- обусловлено, с одной стороны, окислением SO₂ и H₂S, с другой - поднятием сернокислых солей с засоленных поверхностей.  

Таблица 1-Химический состав воды

     Не  поддаются даже приблизительной  оценке громадные количества солевых  частиц, поднимаемых с почв, соленых  озер, поверхности льда, удобрений  и, наконец, выбрасываемых химическими  и металлургическими производствами, и выбрасываемые в атмосферу  в результате другой деятельность людей, а в дальнейшем вымываемые осадками.

     Воды  большинства рек принадлежат к гидрокарбонатному классу. По составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция; гидрокарбонатные воды с преобладанием магния и натрия - крайне редкое явление. Из природных вод гидрокарбонатного класса наиболее распространены воды малой минерализации (суммарное содержание солей до 200 мг/л).

     Реки  с водой, относящейся к сульфатному  классу, сравнительно малочисленны. Они  распространены преимущественно в  степной полосе и частично в полупустынях. В составе катионов природных  вод сульфатного класса, так же как и в водах гидрокарбонатного  класса, преобладает кальций. Однако ряд рек сульфатного класса имеет  преобладание натрия. По минерализации  воды сульфатного класса значительно  превосходят воды гидрокарбонатного  класса. Речные сульфатные воды с малой (общее количество солей до 200 мг/л) и средней (общее количество солей  с 200 до 500 мг/л) минерализацией встречаются  сравнительно редко. Наиболее характерна для этих рек повышенная (общее  количество солей с 500 до 1000 мг/л), а  иногда и высокая (общее количество солей более 1000 мг/л) минерализация  воды.

     Реки, воды которых относятся к хлоридному классу, встречаются почти так  же редко, как и реки, в воде которых  преобладают сульфаты. К этой территории относятся преимущественно степные  районы и полупустыни. Преобладающими катионами природных вод хлоридного класса являются главным образом  ионы натрия. Воды хлоридного класса отличаются высокой минерализацией - свыше 1000 мг/л, реже от 500 до 1000 мг/л.

     Приведенная характеристика ионного состава  речной воды относится к периоду  летней межени. До некоторой степени  она характеризует состав и в  период ледостава. Существенно иная, значительно меньшая минерализация  воды наблюдается в период весеннего  половодья.

     В распределении ионного состава  речной воды на территории России наблюдается  определенная закономерность. Имеется  общая тенденция к увеличению минерализации воды на большей территории европейской части России с севера на юг и с запада на восток. Зональность  ионного состава речных вод объясняется  не только действием климатических  условий настоящего времени, но и  в значительной мере климатом прошлого. Степень выщелоченности почв и пород, наличие в них легкорастворимых солей или засоленность почв - это естественный результат многовекового воздействия соответствующих климатических условий. Нарушают зональность химического состава воды рек на территории России различия состава пород и условий их залегания.

     Минерализация и химический состав воды озер в отличие от рек меняется в очень широких пределах. Реки с минерализацией воды свыше 100-200 мг/л, в каких бы условиях они ни находились, - очень редкое явление, в то время как минерализация воды озер бывает от очень низкой, в несколько десятков мг/л (т.е. мало отличающейся от дождевом) до очень высокой 3-3,5% (соляные озера с рассолом до предела насыщенного солями). Различие в минерализации отражается и на ионном составе воды озер. В нем наблюдаются закономерности, которые свойственны и химическому составу речной воды. С увеличением минерализации озерной воды происходит относительный рост ионов в ее составе в такой последовательности: HCO₃^-→SO₄^2-→Cl^-; Ca²⁺→Mg²⁺→Na⁺. При минерализации до 500-1000 мг/л в составе озерной воды преобладают гидрокарбонатные ионы, свыше 0,1% - чаще всего сульфатные, а по достижении 0,3-0,5% в зависимости от литологических особенностей водосборной площади - сульфатные или хлоридные воды. В составе катионов озерных вод преобладающая роль кальция сохраняется лишь до 0,1-0,2%. При дальнейшем росте минерализации эту роль начинают играть ионы натрия. Ионы магния, так же как и во всех других водах, сохраняют при всех минерализациях промежуточное положение. Причина подобного распределения ионного состава заключается в различной растворимости солей. Подавляющая часть пресных озер, так же как и рек, по составу вод гидрокарбонатно-кальциевые.

     Состав  морской воды характеризуется большим содержанием солей. Если в водах материкового стока чаще всего наблюдается соотношение концентраций: HCO₃^- > SO₄^2- > Cl^- и Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ или Ca²⁺ > Na⁺ > Mg²⁺, то для солоноватых и морских вод, начиная с общей минерализации 1 г/кг, соотношения меняются:: Cl^- > SO₄^2- > HCO₃^- и Na⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺. Изменение соотношений между нонами от речных к морским водам объясняется последовательным достижением предела растворимости слаборастворимых солей по мере повышения минерализации воды. В сумме ионы и соединения главных компонентов составляют по массе 99,99 % массы всех растворенных в океанской воде минеральных веществ.

     Между элементами основного солевого состава  океанской воды, между каждым из них и их суммой существует практическое постоянство соотношений концентраций. Окончательно его доказал У. Дитмар, выполнивший полный химический анализ (хлориды, сульфаты, кальций, магний, натрий) 77 проб воды, доставленных из всех океанов  с различных глубин экспедицией  на "Челленджере": в воде открытого  океана независимо от абсолютной концентрации количественные соотношения между  главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны (закон  Дитмара). Под влиянием испарения, атмосферных  осадков, образования и таяния льдов  изменяется лишь общее количество солей, содержащихся в морской воде, но их соотношения в пределах погрешностей определений практически не меняются. Таким образом, если известно точное отношение общего количества солей  и концентраций всех основных компонентов  в 1 кг воды к концентрации какого-либо одного ингредиента, то лишь по одному определению можно вычислить  полный солевой состав океанской  воды. В качестве такого "реперного" ингредиента избрана "хлорность", представляющая собой количество граммов  ионов хлора, эквивалентное сумме  галогенов (кроме фторидов, которые  не осаждаются азотнокислым серебром), содержащихся в 1 кг морской воды (определение  Серенсена). Постоянство состава  океанской воды слегка нарушается под  опресняющим влиянием материкового стока в приустьевых участках и во внутренних морях при затрудненном водообмене с океаном. В составе  главных компонентов концентрации катионов кальция и магния, а также  сумма концентраций анионов слабых кислот (HCO₃^-, CO₃^2-, H₂BO₃^-) подвержены более чем на 1 % отклонениям от постоянства соотношении в связи с извлечением карбоната кальция из воды в поверхностных слоях и растворением его на глубинах.

     Концентрации  микроэлементов настолько малы, что  в сумме они не превышают 0,01 % массы  всех растворенных солей. Из обобщающей сводки В.В. Гордеева и А.П. Лисицына следует, что в наибольших концентрациях  встречаются литий (180 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), барий (18 мкг/л), в наименьших - золото (0,004 мкг/л), редкоземельные элементы (менее 0,001 мкг/л), радий (10^-7 мкг/л).

     Чем более изолированно море от океана, тем заметнее отличается состав его  воды от состава воды в океане. Первостепенное значение имеют условия водообмена с океаном, соотношение объема материкового стока с объемом моря, глубина моря и характер химического состава вод впадающих рек.

     Подземные воды отличаются исключительным разнообразием химического состава, в том числе и ионного. Состав воды бывает всех классов, групп и типов. Ионный состав подземных вод прежде всего зависит от условий их формирования и залегания.

     Стабилизация pH природной воды

     Природная вода способна сохранять значение рН более или менее постоянным, даже если в неё извне попадает определённое количество кислоты или основания. Если в литр дистиллированной воды внести каплю концентрированной  соляной кислоты, то рН понизится  с 7 до 4. А если каплю соляной кислоты  добавить в литр речной воды с рН = 7, показатель почти не изменится. Кислоты  и основания, попадающие в природную  воду, нейтрализуются растворёнными  в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами:

     H⁺ + HCO₃^- ↔ H₂O + CO₂↑ 
OH^- + CO₂ ↔ HCO₃^-

     Гидрокарбонат-ионы нейтрализуют кислоты, попадающие в  водоём с атмосферными осадками или  образующиеся в результате жизнедеятельности  организмов. С концентрацией гидрокарбонат-ионов  напрямую связана устойчивость водоёмов к кислотным дождям. Наиболее чувствительны  к ним реки и озёра Карелии, Финляндии, Скандинавии, в водах  которых этих ионов практически  нет.

     Органические  вещества

     Органическим  веществом природных вод называют комплекс истинно растворенных и  коллоидных веществ органических соединений. По происхождению органические вещества природных вод могут быть разделены  на поступающие извне (с водосборной  площади) и образующиеся в самом  водном объекте. К первой группе относятся  главным образом гумусовые вещества, вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя и других видов  природных образований, включающих остатки растений, и органические вещества, поступающие с промышленными  и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Из гумусовых веществ для гидрохимии наибольший интерес представляют гуминовые  и фульвокислоты. Обе эти кислоты  характерны для гумуса (гумусовые  кислоты), они не содержатся в живых  растительных и животных тканях. Соотношение  между ними в разных торфах и почвах неодинаково. В черноземных почвах преобладают гуминовые, а в подзолистых - фульвокислогы.