Химический состав воды

     Общая концентрация органического вещества в природных водах, изменяясь  в широких пределах, бывает наибольшей в болотных водах (в которых при  большой концентрации гумусовых  веществ она иногда достигает 500 мг/л и более) и реках с болотным питанием, причем болотная вода бывает окрашенной в желтый и коричневый цвет до 300° и выше по платиново-кобальтовой  шкале цветности (окраску природной  воде придают гуминовые кислоты). Высокая концентрация органического  вещества иногда встречается в подземных  водах, связанных с нефтеносными месторождениями. Еще большая концентрация может быть в природных водах, загрязненных промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Незагрязненные природные  воды обычно содержат мало органических веществ. Например, по Б.А. Скопинцеву, в воде океанов концентрация органического  вещества составляет только 2,0-5,4 мг/л (в  среднем 3,0 мг/л, а в воде рек в  среднем 20 мг/л).

     В некоторых поверхностных водах, особенно в реках с болотным питанием, вещества гумусового происхождения  являются основной частью химического  состава воды. После поступления  в хорошо аэрируемые реки, а затем  озера и моря органические вещества воды подвергаются изменению, и начатый  в почвах процесс окисления завершается  для большей их части переходом  в простые минеральные соединения. Другая, более устойчивая часть остается и накапливается в водных объектах.

     В холодных климатических зонах (тундре) очень мало органических остатков, и там водоёмы почти не содержат гуминовых кислот. А в зоне лесов, особенно хвойных, где органических остатков образуется много и они  не успевают полностью разложиться, содержание гуминоных кислот составляет несколько десятков миллиграммов на литр. Гуминовые кислоты не только подкисляют воду в водоёме, но ещё  и связывают практически все  тяжёлые металлы в прочные  комплексные соединения.

     Газы  в природной воде

     Если  налить в стакан холодную воду из-под  крана и поставить в тёплое место, на стенках появятся пузырьки газа. Газы были растворены в холодной воде и выделились при нагревании (поскольку растворимость газов  при нагревании уменьшается). Это  кислород, азот и углекислый газ. Растворимость  газа в воде обычно падает с повышением температуры, что связано с повышением кинетической энергии молекул газа, способствующей преодолению сил притяжения молекул воды. Все природные воды представляют газовые растворы. Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород O₂ и двуокись углерода CO₂, а в подземных - сероводород H₂S и метан CH₄. Иногда CO₂ в значительных количествах может насыщать также воды глубоких горизонтов. Кроме того, во всех природных водах постоянно присутствует азот N₂.

     Кислород (O₂) находится в природной воде в виде растворенных молекул. Кислород, являясь мощным окислителем, играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Кислород поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов. Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л, при интенсивном фотосинтезе, в полдень, возможна и более высокая концентрация). Вследствие зависимости концентрации кислорода в поверхностных водах от целого ряда факторов его концентрация значительно меняется в течение суток, сезона и года. Так как потребление кислорода сравнительно мало зависит от суточных изменений солнечной радиации, а фотосинтез всецело определяется ею, то в течение дня происходит накопление кислорода, а в темное время суток расходование его. Кислород необходим для существования большинства организмов, населяющих водоемы. Как сильный окислитель кислород играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков.

     Диоксид углерода (CO₂) находится в воде главным образом в виде растворенных молекул газа CO₂. Однако часть их (около 1 %) вступает во взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:

     CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

     Обычно  же не разделяют CO₂ и H₂CO₃ и под диоксидом углерода подразумевают их сумму (CO₂ + H₂CO₃). В природных водах источником диоксида углерода являются прежде всего процессы окисления органических веществ, происходящие с выделением CO₂ как непосредственно в воде, так и в почвах и илах, с которыми соприкасается вода. К ним относятся дыхание водных организмов и различные виды биохимического распада и окисления органических остатков. В некоторых подземных водах важным источником диоксида углерода являются вулканические газы, выделяющие из недр земли, происхождение которых связано с дегазацией мантии и со сложными процессами метаморфизации осадочных пород, протекающими в глубинах под влиянием высокой температуры. Поэтому часто в подземных водах и источниках глубинного происхождения наблюдается высокое содержание диоксида углерода. Поглощение водой диоксида углерода из атмосферы имеет более важное значение для воды морей и океана и менее значимо для вод суши. Уменьшение содержания диоксида углерода прежде всего происходит при фотосинтезе. При очень интенсивном фотосинтезе, когда отмечается полное потребление газообразного CO₂, последний может быть выделен из ионов HCO₃^-:

     HCO₃^- ↔ CO₃^2- + CO₂

     Диоксид углерода расходуется также на растворение  карбонатов:

     CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Ca(HCO₃)₂

     Также расходуется на химическое выветривание алюмосиликатов. Уменьшение содержания CO₂ в воде, особенно в поверхностных водах суши, происходит также при выделении его в атмосферу. Вообще CO₂ атмосферы имеет большое значение для CO₂ содержащегося в поверхностных водах, регулируя его содержание там. Между CO₂ атмосферы и CO₂ поверхностных вод существует непрерывный обмен, направленный на установление между ними равновесия, согласно закону Генри-Дальтона. Поскольку парциальное давление диоксида углерода в атмосфере очень невелико (33 Па), то, несмотря на большую растворимость его (при давлении 1013 гПа и температуре 12 °С до 2166 мг/л), равновесие между водой и атмосферой достигается при очень малом содержании CO₂ в воде. При парциальном давлении CO₂ в атмосфере 33 Па растворимость его в воде будет 2166•0,00033=0,715 мг/л (при 12 °С). Обычно же поверхностные воды суши, в которых протекают различные процессы разложения органического вещества и которые связаны с почвами, имеют большее содержание CO₂ и поэтому выделяют его в атмосферу. Лишь при очень сильном фотосинтезе, когда CO₂ практически исчезает, может происходить поглощение CO₂ из атмосферы. Содержание диоксида углерода в природных водах чрезвычайно разнообразно - от нескольких десятых долей до 3000-4000 мг/л. Наименьшая концентрация CO₂ наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO₂ редко превышает 20-30 мг/л.

     Растворенный  молекулярный азот (N₂) - наиболее постоянный газ в природных водах. В высшей степени химически устойчивый и биологически трудно усвояемый, азот, будучи занесен в глубинные слои океана или подземные воды, меняется главным образом лишь под влиянием физических условий (температура и давление). Растворенный в поверхностных водах азот имеет преимущественно воздушное происхождение. Наряду с этим в природе широко распространен азот биогенного происхождения, возникающий в результате денитрификации.

     Газ метан (CH4) относится к числу наиболее распространенных газов и подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан. Основным источником образования метана служат дисперсные органические вещества в породах. Метан и тяжелые углеводороды, нередко встречаются в значительных концентрациях в глубинных подземных водах закрытых структур, связанных с нефтеносными месторождениями. В небольшой концентрации метан наблюдается в природных слоях озер, где он выделяется из ила при разложении растительных остатков, а также в океанических донных отложениях в районах высокой биологической продуктивности.

     Газ сероводород (H₂S) является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона. При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невозможно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде. В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Присутствие сероводорода в природных незагрязненных поверхностных водах - сравнительно редкое явление. Гораздо чаще сероводород присутствует в подземных водах, изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах, в которых он служит показателем сильного загрязнения и анаэробных условии.  

                                                        Мезоэлементы

     Кроме главных ионов, содержание которых  в воде достаточно велико, ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях  от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").

     Азот  в форме нитратов NO₃^- попадает в водоёмы с дождевой водой, а в форме аминокислот, мочевины (NH₂)₂CO и солей аммония NH₄⁺ - при разложении органических остатков.

     Фосфор  существует в воде в форме гидрофосфатов HPO₃^2- и дигидрофосфатов H₂PO₃^-, образующихся в результате разложения органических остатков.

     Кремний является постоянным компонентом химического  состава природных вод. Этому  способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость  последних объясняет малое содержание кремния в воде. Концентрация кремния  в природных водах обычно составляет несколько миллиграммов в 1 л. В подземных  водах она повышается и часто  достигает десятков миллиграммов в 1 л, а в горячих термальных водах - даже сотен. На растворимость кремния, кроме температуры сильно влияет повышение pH раствора. Сравнительно малое  содержание кремния в поверхностных  водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С, 170 мг/л при 38 °С), указывает на наличие в воде процессов уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление  кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме  того, кремниевая кислота как более  слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

     Na₄SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O = H₄SiO₄ + 4NaHCO₃

     Способствует  неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты  при определенных условиях переходить в гель. В очень мало минерализованных водах кремний составляет существенную, а иногда и преобладающую часть  химического состава воды, несмотря на его малое абсолютное содержание. Присутствие кремния в воде является серьезной помехой в технике, так как при продолжительном  кипячении воды кремний образует в котлах очень твердую силикатную накипь.

     Алюминий  поступает в водоёмы в результате действия кислот на глины (каолин):

     Al₂[Si₂O₅](OH)₄ + 6H⁺ = 2SiO₂ + 5H₂O + 2Al³⁺

     Основной  источник железа - железосодержащие глины. Органические остатки (ниже обозначаются как "С"), находящиеся в контакте с ними, восстанавливают железо до двухвалентного, которое медленно вымывается в форме гидрокарбоната или солей  гуминовых кислот:

     2Fe₂O₃ + "C" + 4H₂O + 7CO₂ = 4Fe(HCO₃)₂

     Когда вода с растворёнными в ней  ионами Fe²⁺ вступает в контакт с воздухом, железо быстро окисляется, образуя коричневый осадок гидроксида Fe(OH)₃. Со временем он превращается в болотную руду - бурый железняк (лимонит) FeO(OH). Карельская болотная руда использовалась в XVIII-XIX столетиях для получения железа.

     Синеватая плёнка на поверхности воды - это Fe(OH)₃, образующийся, когда подземные воды, содержавшие ионы Fe²⁺, вступают в контакт с воздухом. Ее часто путают с масляной пленкой, однако различить их очень легко: у пленки гидроксида железа рваные края. Если поверхность воды слегка взволновать, гидроксидная пленка, в отличие от масляной, не будет переливаться.

     Микроэлементы

     К этой группе относятся элементы, соединения которых встречаются в природных  водах в очень малых концентрациях, поэтому их и называют микроэлементами. Их концентрация измеряется микрограммами  в 1 л (мкг/л), а часто имеет и  более малые значения. Микроэлементы  представляют собой самую большую  группу элементов химического состава  природных вод, в нее входят все  элементы периодической системы, не включенные в предыдущие группы рассмотренных  компонентов. Условно их можно разделить  на пять подгрупп: 1) типичные катионы (Li⁺, Rb⁺, Cs⁺, Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ и др.); 2) ионы тяжелых металлов (Cu²⁺, Ag⁺, Au⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ и др); 3) амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn); 4) типичные анионы (Br^-, I^-, F^-); 5) радиоактивные элементы. Микроэлементы необходимы для нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты для живых организмов. Поэтому часто они становятся загрязняющими веществами и концентрация их контролируется. Успешное изучение микроэлементов затруднено не только их малым содержанием в природных водах, но и в сильнейшей мере неясностью формы их присутствия в растворе. Последнее не только осложняет выяснение закономерностей их миграции и режима но и создает трудности при химическом анализе. Например, многие тяжелые металлы мигрируют в больших концентрациях именно во взвешенном, а не в растворенном состоянии. Растворенные органические комплексы образуют большинство металлов, прежде всего двух- и трехвалентные металлы с гуминовыми и фульвокислотами. Концентрация закомплексованных металлов определяется прежде всего концентрацией органических кислот. В виде коллоидных соединений присутствуют многие гидроксиды металлов. Возможно, происходит адсорбция органических веществ на поверхности коллоидов, что придает им большую стабильность в растворе.