Основні компоненти фізико-хімічного складу природних вод - студопедія

- розчинені органічні речовини;

Іноді виділяють ще одну групу - зважені речовини.

Експериментально встановлено, що у відкритому океані незалежно від абсолютної концентрації співвідношення між головними іонами основного сольового складу залишаються приблизно постійними.

Запропоновано поділяти всі природні води по переважному аніони на три класи:

Кожен клас по переважному катиону підрозділяється на три групи:

Гідрокарбонатний і карбонатний іони є найважливішою складовою частиною іонного складу прісних і мінералізованих природних вод суші. З'являються ці іони у воді в результаті розчинення солей вугільної кислоти - карбонатів кальцію і магнію.

Солі СаСО3 і MgCO3 важко розчиняються у воді і можуть перейти в розчин тільки в присутності вуглекислого газу

Іони НСО3 -. СО3 2-. Са 2+. Н + і Н2 СО3 знаходяться між собою в розчині в певних кількісних відносинах, що визначаються константою дисоціації вугільної кислоти по першого та другого ступенів (К1 = 3. 10 - 7. К2 = 4. 10 - 11). Ці іони і вугільна кислота утворюють карбонатну систему хімічного рівноваги, тобто зміна змісту одного з них тягне за собою зміну змісту іншого, що має велике значення для підтримки реакції середовища в природних водах.

Основними джерелами розчинених у воді сульфатів є різні осадові породи, до складу яких входить гіпс СаSO4. 2H2 O. Джерелами сульфат-іонів в природній воді служать і процеси окислення самородної сірки, що протікають по рівнянню

а також окислення широко поширених в земній корі сульфідних сполук.

Сульфат-іони є стійкими. При відсутності кисню сульфати можуть бути відновлені зазвичай під дією сульфатредуцирующих бактерій, виявлених в морях і в водах нафтоносних родовищ, до сірководню. Добутий в процесі відновлення сульфатів сірководень надалі при зіткненні з повітрям знову окислюється спочатку до сірки

а потім до сульфатів.

При значному вмісті у воді хлоридів і сульфатів вони є причиною її агресивності по відношенню до бетону. Так, сульфат-іони можуть взаємодіяти з вапном цементу з утворенням гіпсу, що викликає збільшення обсягу і утворення тріщин в бетоні. Присутність у воді значної кількості хлоридів призводить до вилуговування і руйнування бетонного каменю внаслідок утворення розчинних хлоридів кальцію і магнію.

Іони лужних металів. З іонів лужних металів в природних водах в найбільших кількостях знаходяться іони Na ​​+. в значно менших - іони К +. Подібно хлорид-іонів, іони Na ​​+ є характерними іонами сільномінералізованних вод.

Найважливішим джерелом катіонів натрію в природних водах є його поклади в вигляді хлористих солей, що знаходяться серед різних осадових порід морського, а в посушливих районах і континентального походження.

Іншим джерелом іонів лужних металів в природній воді є продукти вивітрювання гірських порід. Калій міститься, головним чином, в кислих вивержених породах (ортоклаз, мусковіт), а натрій входить до складу різних алюмосилікатів. Крім того, в ряді випадків відбувається обмінна адсорбція іонів Са 2+ і Na + в породах, в результаті чого в розчині замість іонів Са 2+ з'являється еквівалентна кількість іонів Na + за схемою:

Іони магнію і кальцію. Якщо в сільномінералізованних водах домінує катіон натрію, то в мінералізованих водах зазвичай домінує катіон кальцію, набагато рідше - магнію.

Основним джерелом катіонів Са 2+ в природних водах є вапняки, які розчиняються вугільної кислотою, що знаходиться у воді, з утворенням гідрокарбонатів

Іншим джерелом катіонів Са 2+ в природних водах є гіпс, вельми поширений в осадових породах.

Катіони магнію надходять у воду переважно при розчиненні доломіту (MgCO3. CaCO3), мергелів або продуктів вивітрювання корінних порід.

Присутність катіонів кальцію і магнію обумовлює жорсткість води.

Розчинені гази. З розчинених у воді газів найбільше значення мають кисень і оксид вуглецю (IV) (вуглекислий газ), а також азот, сірководень, метан та ін.

Розчинність газу у воді залежить від його природи, парціального тиску і температури. Для даної температури розчинність може бути визначена за законом Генрі:

де С - розчинність газу, мг / дм 3;

К - коефіцієнт пропорційності, що дорівнює розчинності

газу при даній температурі і тиску 1 атм;

Р - парціальний тиск газу, атм.

Концентрація будь-якого газу в воді прагне перейти в рівновагу з парціальним тиском цього газу над водою, тому безперервно відбуваються зворотні процеси сорбції та десорбції.

Кисень знаходиться в природній воді у вигляді розчинених молекул. Його присутність є обов'язковою умовою для існування більшості організмів, що населяють водойми.

Вода збагачується киснем за рахунок розчинення кисню атмосфери і за рахунок його виділення водною рослинністю в процесі фотосинтезу. Дощові і снігові води звичайно пересичені киснем, тому їх надходження у водойму збільшує його аерацію. Зменшення вмісту розчиненого кисню у воді відбувається внаслідок його виділення в атмосферу і через споживання на окислення органічних речовин при диханні організмів, бродінні, мінералізації органічних залишків. Наявність розчиненого кисню є однією з причин корозійної агресивності води по відношенню до металів. Концентрація кисню визначає розмір окисно-відновного потенціалу і значною мірою напрямок і швидкість процесів хімічного і біохімічного окислення. Кисневий режим робить сильний вплив на життя водойми.

Вуглекислий газ. Вуглекислий газ знаходиться в воді головним чином у вигляді розчинених молекул СО2. Однак частина їх, близько 1%, вступає у взаємодію з водою, утворюючи вугільну кислоту

Зазвичай же не поділяють СО2 і Н2 З3 і під вуглекислим газом на увазі їх суму.

Джерелом вуглекислого газу в природних водах є, перш за все, процеси окислення органічної речовини, що відбуваються як безпосередньо у воді, так і в грунтах і мулах, з якими стикається вода. Сюди відносяться дихання водних організмів і різні види бродіння розпадаються органічних залишків. Збагачують воду вуглекислим газом і геохімічні процеси в осадових породах. Поглинання СО2 з атмосфери спостерігається майже виключно в морях і дуже рідко в водах суші.

З процесів, спрямованих на зменшення СО2 в природних водах, найважливішими є видалення в атмосферу через перенасиченість води цим газом; витрачання його на перехід карбонатних порід в розчин; споживання водною рослинністю при фотосинтезі.

Інші гази. Поява в природних водах сірководню і метану вказує на наявність гнильних процесів, що протікають у водоймах при обмеженому доступі повітря. У природних умовах як сірководень, так і метан частіше зустрічаються в підземних водах. Однак наявність цих газів, особливо Н2 S, в річках і озерах може бути наслідком скидання неочищених стічних вод.

Розчинені органічні речовини. Ця група речовин включає різні органічні сполуки: органічні кислоти, спирти, альдегіди і кетони, складні ефіри, білки, вуглеводи, аміни, вільні амінокислоти і т.д. За походженням розчинені органічні речовини можна розділити на автохтонні - продукти метаболізму і біохімічного розпаду залишків організмів - і алохтонні, які надходять у водне середовище з поверхневими стоками з площі водозбору з зливовими і талими водами, з атмосферними опадами і стічними водами.

Забруднення природних вод відбувається і отрутохімікатами, застосовуваними в сільському господарстві.

До числа постійних джерел органічної речовини слід віднести також побутові і промислові стічні води, що потрапляють в підземні води і річки. Склад цих речовин дуже різний. До них відносяться поверхнево-активні речовини (ПАР), феноли, нафтопродукти та ін.

Біогенні речовини. До біогенних належать речовини, в тій чи іншій мірі пов'язані своїм походженням з життєдіяльністю водних організмів. Присутність цих речовин у воді, в свою чергу, визначає можливість існування водних організмів. Виділення цієї групи є дещо умовним, тому що в життєвих процесах беруть участь і інші іони, зокрема іони Са 2+. Mg 2+. До +. Біогенні речовини знаходяться у воді у вигляді іонів, а також у вигляді колоїдів.

Сполуки азоту. З неорганічних сполук азоту в природній воді зустрічаються катіони амонію (NH4 +), нітритні (NO2 -) і нітратні (NO3 -) аніони. Подібність їх генезису і можливість взаємного переходу одного в інший дають підставу об'єднати їх в одну групу.

Основним джерелом появи в природній воді NH4 +. а потім NO3 - і NO2 - є різні складні органічні речовини тваринного і рослинного походження, що містять в своєму складі білок. Деякі мікроорганізми здатні під дією протеолітичних ферментів розщеплювати молекули білка на пептидні ланцюжка і окремі амінокислоти:

Амінокислоти, що утворилися далі розкладаються за участю бактерій і ферментів з виділенням аміаку.

Розкладання (дезаминирование) амінокислот може здійснюватися за участю води (гидролитическое дезаминирование)

кисню (окислювальне дезамінування)

і водню (відновне дезаминирование)

Процес розкладання продуктів гідролізу білкових з'єднань мікроорганізмами з виділенням аміаку називається Амоніфікація.

Разом з тим катіони амонію можуть з'являтися і іншим шляхом - з неорганічних сполук. Помічено присутність NH4 + в болотистих водах, багатих гумусними речовинами, які, мабуть, здатні відновлювати нітрати до NH4 +. Нітрати і нітрити можуть бути відновлені до NH4 + і іншими речовинами, наприклад, сірководнем і залізом (II). Крім того, NH4 + часто потрапляє у водойми в складі промислових стічних вод, наприклад, азотно-тукових, содових, коксо-газових та інших заводів.

Наявність аміаку в воді завжди викликає підозру в забрудненні води стічними водами.

У природній воді аміак досить нестійкий і під впливом нитрифицирующих бактерій окислюється спочатку до азотистої кислоти, а потім до азотної кислоти (реакції нітрифікації)

При дослідженні поверхневих вод за співвідношенням змісту в них аміаку, нітритів і нітратів можна судити про час забруднення води. Так, наявність у воді аміаку і відсутність нітритів вказує на свіже забруднення води. Відсутність аміаку у воді при наявності нітритів і особливо нітратів свідчить, що забруднення води сталося давно, і пройшов процес самоочищення.

Органічний розчинений фосфор є складовою частиною складних органічних сполук. Фосфор може перебувати в природній воді і у зважених частинках як мінерального, так і органічного походження.

З'єднання фосфору, хоча і присутні в природних водах в незначних кількостях, мають виключно важливе значення для розвитку рослинного життя, будучи часто одним з факторів, що лімітують і визначають розвиток рослинних організмів і, отже, продуктивність водойм. Саме збільшення вмісту фосфору в прісних водоймах зазвичай стає причиною їх евтрофікації.

З'єднання заліза дуже часто зустрічаються в природних водах внаслідок переходу їх в розчин з різних гірських порід, в яких залізо широко поширене. Перехід заліза в розчин може відбуватися під дією окислювачів або кислот. У болотистих водах залізо часто знаходиться в вигляді складних гумусових комплексів.

Форма, в якій залізо знаходиться в природних водах, може бути досить різноманітною. Переважна в підземних водах закисное залізо присутній у воді водойм у вигляді розчинних солей гідрокарбонату заліза (II) Fe (HCO3) 2 і карбонату FeCO3. які стійкі тільки при утриманні великої кількості СО2 і відсутності кисню. В іншому випадку відбувається гідроліз, і залізо переходить в малорозчинний гідроксид заліза (II)

який далі легко окислюється в гідроксид заліза (III)

Процес окислення в багатьох випадках протікає за участю мікроорганізмів, які використовують виділяється при цьому енергію в процесі життєдіяльності.

Fe (ОH) 3 дуже мало розчинний, але може бути присутнім в розчині в колоїдному стані, яке, мабуть, є основною формою існування заліза в поверхневих водах.

Води, що містять залізо в значних кількостях, зазвичай мають кислу реакцію середовища. Це характерно для залізистих вод, якщо походження заліза пов'язане з розчиненням сульфату заліза (III).

З'єднання заліза (III) частіше зустрічаються в поверхневих водах (соті, рідше десяті частки мг / дм 3), з'єднання заліза (II)-переважно в підземних водах в кілька великих кількостях (до 1 мг / дм 3).

З'єднання кремнію. Повсюдне поширення кремнію в природі забезпечує його безперервне надходження в природні води в вигляді витравлюють водою кремнієвої кислоти і її лужних солей, що містять іони HSiO3 - і SiO3 2. а частина кремнію знаходиться в колоїдному стані, в частинках складу SiO2 'Н2 О, а також у вигляді полікремневой кислоти складу х SiO2'уН2 О. Крім того, в водах присутні і органічні сполуки кремнію.

Токсичні речовини. До цієї групи речовин відносять важкі метали (ртуть, кадмій, свинець і ін.), Нафтопродукти, хлорорганічні та інші пестициди, феноли, синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР) і т.д.

Виробничі стічні води нерідко містять значні кількості зважених часток. Допустиме збільшення концентрації їх в природних водах жорстко нормується.