Хімічний склад води

Хімічно чиста вода – це сполука водню з киснем, має хімічну формулу Н2О. Її молекула складається з 11,11% водню і 88,89% кисню. Характерною особливістю молекул води є їхня властивість об’єднуватися в агрегати – сполуки кількох молекул. За сучасними уявленнями, молекула води побудована у вигляді тетраедра, в центрі якого знаходиться ядро атома кисню, а на кінцях одного з ребер тетраедра розташовуються два позитивних заряди, що відповідають ядрам атомів водню.

Вода має певні аномальні властивості. Насамперед, вона дуже стійка до впливу зовнішніх чинників, що пояснюється існуванням додаткових сил між молекулами (водневий зв’язок). У свою чергу, іон водню, зв’язаний з іоном кисню, здатний притягувати до себе іон того ж елемента з іншої молекули. Кожна молекула води може утворювати чотири водневі зв’язки за рахунок двох пар неподілених електронів кисню і двох позитивно заряджених атомів водню.

У пароподібному стані (при температурі>100⁰С) вода складається, головним чином, з однорідних простих молекул, відповідає формулі Н₂О і називається гідролем. Агрегат із двох простих молекул (Н₂О)₂називається дигідролем, а сполучення з трьох молекул (Н₂О)₃ – тригідролем. Рідка вода – це суміш молекул: (Н₂О), (Н₂О)₂, (Н₂О)₃, а у воді у твердому стані (лід) переважають трійчасті молекули (Н₂О)_3, які мають найбільший об’єм. При збільшенні температури води співвідношення між кількістю простих і складних молекул у ній змінюється (табл. 3.1). Змінюється й відстань між молекулами. Саме цим пояснюються деякі аномальні властивості води.

 

Таблиця 3.1

Зміна співвідношень молекул у воді при зміні температури

(у відсотках)

Молекули води	Температура води, °С
лід
Н2О
(Н2О)2
(Н2О)3
Всього

У хімічному складі природних вод виділяють такі групи:

1. Головні іони, або макроелементи: аніони (негативно заряджені іони) – хлоридний (Cl^-), сульфатний (SO₄^2-), гідрокарбонатний (НСО₃^-), карбонатний (СО₂^2-); катіони (позитивно заряджені іони): натрію (Na⁺), калію (К⁺), магнію (Mg²⁺), кальцію (Са²⁺). Уміст кожного з цих іонів у природних водах не знижується нижче 1 мг/дм³, тому вони утворюють групу мікроелементів і за своїм домінуванням у хімічному складі води класифікуються як головні іони. Сумарний уміст у воді розчинених солей характеризується мінералізацією М (мг/дм³), або солоністю S (г/кг, %_о). У проміле показують переважно солоність морської води і становить вона в середньому 35%_о (35 г/кг). Отже, проміле – одна тисячна частина якої-небудь речовини.

За переважанням аніона всі природні води поділяються на 3 класи: гідрокарбонатний, сульфатний і хлоридний; за переважанням катіона – на три групи: кальцієву, магнієву, натрієву.

Річкові води переважно відносяться до гідрокарбонатного класу і кальцієвої групи; підземні води – до сульфатного класу і магнієвої групи; води океанів і морів – до хлоридного класу і натрієвої групи.

2. Біогенні речовини: сполуки азоту N, фосфору Р, заліза Fe, кремнію Si. Це перш за все нітрати (NO₃^-), нітрити (NO₂^-), амоній (NH₄⁺), фосфати (РО₄^3-). Ці речовини потрапляють у природні води, головним чином, при розкладанні тваринних і рослинних організмів, життєдіяльність яких протікає у водному середовищі, із поверхні водозбору та зі скидними водами. Концентрація біогенних речовин у воді незначна (від тисячних до десятих долей міліграм в 1 м³), але саме ці елементи визначають рівень біопродуктивності водних об’єктів і таким чином обумовлюють якість їх води.

3. Органічні речовини: комплекс розчинених і колоїдних сполук, загальний вміст яких визначається за органічним вуглецем (С орг.), або за посередніми характеристиками: забарвленістю, окисністю біохроматною і перманганатною (вуглеводи, білки і продукти їх розпаду, ліпіди – ефіри жирних кислот, гумінові речовини та ін.

3. Розчинні гази: кисень (О₂), двооксид вуглецю (СО₂), сірководень (Н₂S), метан (СН₄), азот (N₂).

Кисень у водах річок і прісних озер присутній повсюдно. У верхніх шарах його більше, ближче до дна його кількість зменшується. Природні води збагачуються на кисень за рахунок надходження його з атмосфери, в результаті виділення водною рослинністю в процесі фотосинтезу. Утрачається кисень на окислення органічних речовин та виділяється в атмосферу.

На практиці часто використовують відносну характеристику вмісту у воді розчинених газів – відсоток насичення А, який дорівнює А = (Ф/Р) х 100, де Ф – фактичний вміст газу, Р – його рівноважна концентрація у воді при даній температурі. Якщо фактичний уміст газу у поверхневому шарі води більший за рівноважну концентрацію і величина А>100%, то відбувається виділення газу в атмосферу. Якщо ж вода не насичена газом і А<100%, то відбувається поглинання водою газу з атмосфери.

Двооксид вуглецю присутній у всіх природних водах. Найменше його в поверхневих водах через постійне вирівнювання з атмосферою. Двооксид вуглецю у воду надходить при окисленні органічних речовин і виділяється з гірських порід. Кількість двооксиду вуглецю в поверхневих водах може не перевищувати одиниць мг/дм³, у підземних водах його вміст досягає кількох десятків мг/дм³, а в мінеральних водах – сотень і тисяч мг/дм³.

Сірководень у природних водах утворюється внаслідок розпаду органічних сполук, розчинення мінеральних солей мінералів (гіпсу, сірчаного колчедану). Сірководень зустрічається в поверхневих водах переважно в придонних шарах, добре відомий у водах Чорного моря. У підземних водах цей газ зустрічається досить часто, особливо багато його у вулканічних областях і у водах нафтогазових родовищ, де вміст його може досягати 1000-2000 мг/дм³.

Азот (N₂) потрапляє у природні води з атмосферного повітря внаслідок розкладу органічних залишків і відновлення сполук азоту денітрифікуючими бактеріями.

Метан у проточних природних водах знаходиться у невеликих кількостях. Проте метан добре відомий у болотних водах (болотний газ), у водах озер та інших водоймах у придонних шарах. Зустрічається метан переважно в підземних водах на значних глибинах.

Інертні (благородні) гази (гелій, аргон, неон, криптон і ксенон), будучи хімічно пасивними, зустрічаються переважно у підземних водах як домішок інших газів.

5. Мікроелементи – це речовини, які знаходяться в природних водах у дуже малих концентраціях (менше 1 мг/дм³). Серед них виділяють: бром В, йод І, фтор F, літій Li, барій Ва; важкі метали: залізо Fe, нікель Ni, цинк Zn, кобальт Со, мідь Сu, кадмій Cd, свинець Рb, ртуть Hg та ін.; радіоактивні елементи як природного (калій ⁴⁰ К, рубідій ⁸⁷ Rb, уран ²³⁸ U, радій ²²⁶ Ra та ін.), так і антропогенного (стронцій ⁹⁰ Sr, цезій ¹³⁷ Cs та ін.) походження.

6. Особливе місце займають іони водню, які утворюються в результаті дисоціації вугільної кислоти (Н₂СО₃ НСО₃^- + Н^-) і самої води (Н₂О Н⁺ + ОН^-). Іон водню є носієм кислотних властивостей у розчині, а гідроксильний іон ОН^- - лужних. У хімічно чистій воді обидва іони знаходяться в однаковій кількості і тому така вода нейтральна. Концентрація іонів водню в ній дорівнює 10 ^–7 г/л. Стан іонної рівноваги природних вод характеризує водневий показник рН, який являє собою логарифм концентрації водневих іонів (моль/л), взятий зі зворотним знаком:

рН = -log [Н⁺].

 

Отже, вода з нейтральною реакцією має рН = 7, при рН <7 – реакція кисла, при рН> 7 – лужна. Більшість природних вод мають рН від 6.5 до 8.5.

7. Забруднювальні речовини – це нафтопродукти, ядохімікати (пестициди, гербіциди), добрива, миючі засоби (детергенти), деякі мікроелементи (дуже токсичні важкі метали – ртуть, свинець і кадмій), радіоактивні речовини. Більша частка забруднюючих речовин має антропогенне походження, але існують і природні джерела забруднення природних вод.

 

3.1.2. Класифікація природних вод

Широке коливання вмісту мінеральних і органічних речовин ускладнює класифікацію природних вод. В основу класифікації природних вод покладені результати гідрохімічного аналізу та величини мінералізації.

Мінералізація природної води – сумарний уміст у воді розчинених солей в одному літрі води. Такий уміст виражають у вигляді суми іонів у міліграмах на 1 л (дм³) води, у грамах на 1 кг, у ‰.

Відомий геохімік В.Вернадський за величиною мінералізації поділив природні води на такі групи:

- прісні води з мінералізацією до 1г/дм³;

- солоні води з мінералізацією від 1 до 50 г/дм³;

- розсоли з мінералізацією до 50 г/дм³ і більше.

За величиною мінералізації найбільшою популярністю користується класифікація О. Алекіна (табл. 3.3).

Таблиця 3.3

Класифікація природних вод за величиною мінералізації

Ступінь мінералізації	Вміст солей, г/дм3
Прісні	до 1
Солонуваті	1-25
Солоні (морської солоності)	25-50
Розсоли	понад 50

 

Стосовно прісноводних об’єктів О. Алекін розробив більш детальний поділ (табл. 3.4).

 

Таблиця 3.4

Класифікація прісних вод за величиною мінералізації

Ступінь мінералізації	Уміст солей, г/дм3
Ультрапрісні	до 100
Слабкомінералізовані	100-200
Середньомінералізовані	200-500
Підвищеної мінералізації	500-1000
Високої мінералізації	понад 1000

 

У гідрохімічній класифікації О. Алекін поділяє природні води за домінуючим аніоном на 3 класи: гідрокарбонатні (НCO₃‾) й карбонатні (CO₃‾); сульфатні (SO₄²‾) та хлоридні (Cl‾).

Кожен клас поділяється за домінуючим катіоном на три групи: кальцієву, магнієву і натрієву, а кожна група – на чотири типи води.

Жорсткість природної води зумовлюється вмістом у ній кальцію та магнію. Залежно від загальної твердості розрізняють воду: дуже м’яку – до 1,5 мг-екв/л; м’яку – 1,5 –3,0 мг-екв/л; помірно-тверду – 3-6 мг-екв/л; тверду – 7-9 мг-екв/л; дуже тверду – понад 9 мг-екв/л.