Химический состав воды

В природе невозможно найти химически чистую воду. Благодаря ее высокой растворяющей способности и подвижности происходит перераспределение (миграция) химических элементов в земной коре.

В природных водах присутствуют практически все элементы системы Менделеева в виде ионов, недиссоциированных молекул (и газов), и коллоидов. Однако концентрации их резко различны. В зависимости от содержания в воде элементы делятся на 2 группы: макрокомпоненты и микрокомпоненты.

14.5.1. Макрокомпоненты

Макрокомпонентысодержатся в концентрациях 1 мг/л и выше. Сюда относятся Na, Ca, Mg и Сl, присутствующие в виде простых ионов, а также углерод, сера, азот, кислород, водород и кремний, присутствующие в виде сложных ионов (НСО₃, SO₄ и т.д.), недиссоциированных молекул и коллоидов (Н₂SiО₃) и растворенных газов. Кроме того содержится большой комплекс органических веществ (органические кислоты, фенолы, ароматические углеводороды, гуминовые и фульфокислоты).

С некоторой условностью к макрокомпонентам можно отнести также нитрат-ион (NО₃), который хотя и очень редко, встречается в преобладающих относительно других анионов количествах, особенно в поверхностных и грунтовых водах. То же относится и к органическим веществам, например органическим кислотам, концентрации которых могут составлять десятки и сотни мг/л.

14.5.2. Классификация вод по величине минерализации.

Среди первых классификаций следует назвать классификацию В.И. Вернадского.

В современном виде классификация выглядит следующим образом

(табл. 5).

Таблица 5.

Классификация вод по величине минерализации.

Класс вод	Подкласс вод	Минерализация, г/л
Пресные	Ультрапресные	<0,1
	Умеренно пресные	0,1-0,5
	Собственно пресные	0,5-1,0
Солоноватые*	Слабосолоноватые	1-3
	Умеренно солоноватые	3-10
	Соленые	10-35
Рассолы	Слабые	35-100
	Крепкие	100-320
	Сверхкрепкие	320-500
	Предельно насыщенные	> 500

*По ГОСТ 14403-72 к солоноватым отнесены воды с общей минерализацией 1-25 г/кг, что, по сути, неверно. Разделяю в этом вопросе точку зрения С.Л. Шварцева.

14.5.3. Микрокомпоненты

Содержание их в воде как правило составляет доли мг/л (мкг/л). Однако отдельные микрокомпоненты могут встречаться в природных водах и в довольно значительных количествах - до г/л, например В_r, В, J в рассолах, Zn, Cu, Mn в рудничных и шахтных водах.

Формы соединений в водах многих микрокомпонентов разнообразны (комплексные ионы, металл-органические соединения, коллоиды, взвеси).

Они еще сравнительно слабо изучены, поэтому при интерпретации анализов большинство из них выражают в виде соответствующих индексов элементов (Cu, Mo, As, Pb и т.д.), полученных при спектральном анализе. Более точные данные получают при химическом анализе микрокомпонентов.

Основные физические свойства воды обусловливаются содержанием в воде макрокомпонентов, представляющих так называемый ионно-солевой состав воды, общую минерализацию и сухой остаток.

Большую роль в определении свойств природных вод играют показатели, характеризующие состояние воды и в значительной мере определяющие присутствие в воде элементов в тех или иных соединениях. К числу таких показателей относятся рН и Еh вод.

14.5.4. Ионное произведение и активная реакция воды. рН.

Как известно, вода диссоциирует по уравнению:

Н₂О↔Н⁺ + ОН^-

Однако степень диссоциации воды очень мала. При температуре = 22⁰С из 55,51 г/молей воды, содержащихся в 1л (1000:18,016 = 55,51) только 10^-7г/моль находятся в виде ионов. На основании закона действующих масс константа диссоциации воды (при температуре 22⁰С)

К _Н2О = [H⁺][ ОH] = 10^-7·10^-7/55,51

[ H₂О]

Поскольку 55,51>>10^-7, изменение степени ионизации воды даже в сотни тысяч раз практически не изменит величины [ H₂О], что позволяет считать ее постоянной (константа диссоциации воды-К_в).

Тогда, К_в = [H⁺][ ОH] = 10^-7·10^-7 = 10^-14

Это постоянное (для данной температуры) произведение называется ионным произведением воды. Концентрацию ионов водорода и гидроксила выражают в виде отрицательного логарифма - рН и рОН. рН = -lg [H⁺] рОН = -lg [ОH^-]

- lgН = рН = 7. В чистой воде имеется равенство ионов Н⁺ и ОH^- и вода является нейтральной. Но вода, содержащая растворенные вещества, имеет кислую или щелочную реакцию. При кислой реакции [H⁺] > [ОH^-], а при щелочной - [H⁺] < [ОH^-].

рН+рОН = -lg10^-14 = 14. Значит, при нейтральной реакции при t = 22⁰С

рН = рОН = 14/2= 7

рН >7 – щелочная рОН < 7

рН < 7 –кислая рОН > 7

При температуре кипения (100⁰С) [H⁺][ ОH] = 10^-6·10^-6 = 10^-12

Нейтральная вода при рН = 6

При надкритической температуре (400⁰С) - нейтральная вода при рН=4,5.

14.5.5. Окислительно-восстановительный потенциал воды

Окислительно-восстановительные реакции, связаны с потерей или присоединением электронов:

Fe²⁺ ↔ Fe³⁺+e или Fe²⁺ - e = Fe³⁺

Окислительно-восстановительная способность системы определяется окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП), который замеряется при сравнении с индифферентным (золотым или платиновым) электродом и выражается следующим уравнением:

где, Еh – потенциал индифферентного электрода, отнесенный к нормальному водородному полуэлементу, Е₀ – нормальный потенциал системы – постоянная, характеризующая данную ОКВ – систему, значение которой замеряется при концентрациях окисленной и восстановленной части системы, соответствующей 1 молю каждая: R – газовая постоянная – 8,313 дж/град, Т – абсолютная температура, n – число электронов, участвующих в реакции, F – заряд грамм – иона, равный 96500 к, [Ox] и [red] – молярные концентрации окисленной и восстановленной формы или

Определяют ОКВ – потенциал электрометрическим измерением с помощью компенсационной схемы разности потенциалов электрохимической ячейки: платиновый электрод, погруженный в исследуемую воду, каломельный электрод. Последний электрод имеет постоянный потенциал, зависящий только от температуры. Обычно применяют чувствительный приборы – потенциометры с ламповыми усилителями, выпускаемыми нашей промышленностью. Для полевых условий – рН – метры ППМ-01-М. Потенциал – задающими в водах обычно являются элементы с переменной валентностью при концентрации не менее 1·10^-5 моль/л. Это Fe,Mn,H₂S, органически вещества и др.

14.5.6 Типы химического анализа при гидрогеологических исследованиях

Химический анализ природных вод проводится при решении следующих задач:

1) изучение закономерностей формирования и распространения природных вод различного состава; 2) поиски месторождений полезных ископаемых (нефти и газа, металлов, солей и др.) гидрогеохимическим методом; 3) оценка природных вод как химического сырья для получения J, Br, B, Cu, Ba и др.; 4) поиски месторождений минеральных вод; 5) оценка качества воды для питьевого, технического, сельскохозяйственного и других видов использования; 6) оценка условий загрязнения.

Для общей характеристики ионно-солевого состава природных вод применяют три типа анализа воды – полевой, сокращенный и полный.

Полевой анализ производится в полевых условиях с помощью походных лабораторий различных конструкций. Определение обычно делается массово для предварительной оценки состава природных вод изучаемого района. При полевом анализе проводится определение физических свойств Сl, SO₄, NO₃, HCO₃, CO₃, Ca, Mg, Fe⁺², Fe⁺³, СО₂, Н₂S, О₂.

Вычисляются Na+K, Mg или Ca, карбонатная жесткость, общая минерализация.

Сокращенный анализ проводится более точными методами в стационарной или полустационарной лаборатории. Он позволяет произвести контроль анализа. В комплексе сокращенного анализа в дополнение к перечисленному для полевого входит определение NH₄,NO₂, H₂SiO₃, агрессивная СО₂, жесткость общая.

Полный анализ производится наиболее точными методами в стационарной лаборатории. Кроме компонентов, перечисленных в комплексе сокращенного анализа он предусматривает раздельное определение Na и K, окисляемость воды, а при изучении артезианских вод - J, Br, B.

При проведении специальных исследований проводится определение состава спонтанных и растворенных газов: Н₂S, СО₂, О₂, СН₄, N₂₊+ редк., Аr + Кr + Хe, Нe, + Ne и тяжелые углеводороды.

При постановке гидрогеохимических исследований необходимо определять большой комплекс микрокомпонентов: Li, Rb, Cr, Ba, As, Sb, Pb, Zn, Cd, Ni, Co, U, R, органические вещества и др.

Для их определения разработаны и разрабатываются различные методы: экстрационно-колориметрический, спектральный, полярографический, флуориметрический, пламенно-фотометрический и др.

Очень низкое содержание многих микрокомпонентов в водах заставляет применять предварительное концентрирование веществ, т.е. получать водные концентраты, а затем уже определять в них соответствующие элементы.

В настоящее время широко применяются три метода концентрирования:

1) Выпаривание до сухого остатка. Метод трудоемок и ограничен водами с минерализацией 1-2 г/л; 2) метод соосаждения с гидратом гидроокиси алюминия (метод ТПИ). Он позволяет концентрировать микрокомпоненты почти в 20000 раз и определять свыше 20 химических элементов.

Второй метод наиболее широко применяется в Сибири и на Дальнем Востоке; 3) метод осаждения с сульфидом кадмия (Витр-ЛТИ). Степень концентрации здесь меньше и составляет 3000-4000.

Методы перечисленные выше относятся к групповому концентрированию. Существуют и методы индивидуального концентрирования отдельных компонентов (элюация на угле, адсорбция на ионно-обменных смолах и др.).

Дата добавления: 2014-01-07