6. Хімічний склад води

За звичайних умов вода є дуже стійкою хімічною сполукою. При її синтезі з елементів за реакцією

Н₂ + ½0₂ ↔ Н₂0 (1.4)

теплота утворення (ентальпія) ∆Н298⁰ дорівнює -57,798 ккал/моль для водяної пари і -68,317 ккал/моль для рідкої фази. Реакція має зворо­тний характер: при зменшенні тиску, а також при підвищенні темпе­ратури рівновага змішується в бік термічної дисоціації молекул Н₂0, ступінь дисоціації при постійному тиску (1 атм) і різних температурах зростає від 0,034 (при 1 =1015 °С) до 11,1 % (при 1 = 2483 °С). Крім термічної, вода може зазнавати електролітичної, фотохімічної і радіолітичної дисоціації. Електролітична дисоціація води в рідкому стані відбувається самочинно з утворенням іонів Н⁺ і ОН^-:

Н₂0 ↔ Н⁺ + 0Н^- (1.5)

Мірою цього процесу слугує так званий іонний добуток води К_В:

К_В=С_Н+-С_ОН_=10^-14, (1.6)

де С_н+ і С_он-- концентрації іонів водню і гідроксилу (в г-іон/1000 г Н₂0). Для хімічно чистої води К_в дорівнює 10^-14 (при 22 °С). Зазначе­ний показник лежить в основі характеристики кислотності водного середовища за шкалою рН (водневим показником).

Водневий показник - це величина, що характеризує концентрацію (активність) іонів водню у воді чи у водних розчинах. Чисельно він дорівнює логарифму концентрації водневих іонів (г-іон/дм³), взятому зі знаком мінус

рН = 1₈С_н+ (1.7)

Вода з нейтральною реакцією має рН близько 7, при рН менше 7 реакція води кисла, при рН більше 7 вода є лужною. Зазначені змі­ни рН однозначно зумовлюються наявністю у воді тих чи інших ро­зчинених речовин. Так, розчинення у воді вуглекислого газу спри­чиняє зміщення рН в бік менших значень (<7), тобто підвищення кислотності води.

Іонний добуток води є величиною постійною для даної температу­ри. Оскільки реакція дисоціації води супроводжується поглинанням тепла, з підвищенням температури рівновага цієї реакції змішується в бік розкладу (дисоціації) води (табл. 1.2). Тому температура певною мірою впливає на абсолютну величину іонного добутку води.

Таблиця 1.2. Залежність К_в і рН від температури

Т °С	Кв	Сн+= Сон-	рН
0	1,139 · 10-15	3,38 • 10-8	7 ,972
18	5,702 • 10-15	7,64 • 10-8	7,117
25	1,008 • 10-14	1,004 • 10-7	6,999
50	5,474 • 10-14	2,339 • 10-7	6,631
100	5,901 • 10-13	7,71 • 10-7	6,120

Електролітична дисоціація використовується для розкладання води на Н₂ та Ог з допомогою електролізу водних розчинів лугів і кислот; теоретичний потенціал розкладу Н2О при 20 °С і 1 атм дорівнює 1,23 в. Фотохімічна дисоціація води відбувається під дією ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі λ = 65 ммк. Радіолітичний розклад води викликається іонізуючим випромінюванням (а (α-,β-,γ- промені, рентгенівське випромінювання тощо). У результаті радіолізу утворю­ється Н2 і Н2О2, а також вільні радикали Н, ОН і НО2.

Вода є дуже реакціє-здатною сполукою. Це прямий наслідок наяв­ності в її молекулі двох неподілених пар електронів. Навіть з інертни­ми газами вона утворює гідрати, стійкі при низьких температурах. Вода окиснюється атомарним киснем з утворенням перекису водню:

Н₂О + О↔Н₂О₂ (1-8)

При розчиненні у воді хлору відбувається реакція

Н2О+СІ2 ↔ НС1 + НСІО. (1.9)

За звичайних умов гідролізується до половини всього хлору.

При пропусканні парів води через розжарене вугілля утворюється суміш СО і Н₂, т. зв. водяний газ, з якого добувається водень.

Лужні і лужноземельні метали (крім Мg) воду розкладають вже при кімнатній температурі і також із виділенням водню.

Реакцією води, розчиненням у ній кисню та електролітів із мета­лами зумовлене явище корозії металів. При розчиненні у воді кисло­тних і лужних оксидів утворюються відповідно кисневі кислоти і лу­ги. Багато солей і інших сполук вступають із водою в реакції обмін­ного розкладу - гідроліз. При розчиненні у воді різних речовин (солей,кислот,основ та ін..) відбувається їх гідратація,тобто приєднання із стехіометрично визначеними гідратами досить часто утворюються гідрати з невизначеним числом молекул води,що припадають на молекули вихідної речовини.

При виділенні розчинених речовин із розчину зв'язана у гідратах ба­гатьох сполук вода залишається в їх складі як кристалізаційна вода, утворюючи кристалогідрати, наприклад СаSO₄· 2H₂O (гіпс) або Na₂SO₄· 10H₂O (мірабіліт), які являють собою комплексні сполуки. гідратуються у воді не тільки молекули, але й іони, причому тим сильніше, чим більший їх заряд і менший радіус. Так, іон Н⁺ (протій) завжди гідратований у воді, утворюючи так званий іон гідроксонію НзО⁺.

Дуже важливими є каталітичні властивості води. Багато хімічних реакцій, у тому числі і в природі, проходять тільки у присутності хоча б "слідів" води.

Процеси розчинення

Процеси розчинення. Здатність речовини розчинятись у тому чи іншому розчиннику називається розчинністю. При цьому виділяється чи поглинається енергія. Рушійною силою процесу розчинення є змен­шення вільної енергії (ізобарно-ізотермічного потенціалу) розчину по­рівняно з вільною енергією вихідних складових розчину.

Розчинення є як фізичним, так і хімічним процесом. Розчини утво­рюються при взаємодії між частинками розчиненої речовини та роз­чинника. Процес супроводжується дифузією, у результаті якої молеку­ли, переходячи з однієї фази в іншу, рівномірно розподіляються в усьому об'ємі розчинника. Розчинність залежить від природи речови­ни, яка розчиняється, температури, тиску. Чим слабкіші зв'язки між іонами речовини, яка розчиняє, і сильніша взаємодія її частинок з час­тинками розчинника, тим більше значення розчинності. З підвищен­ням температури розчинність збільшується (якщо розчинення супрово­джується поглинанням тепла) або зменшується (якщо розчинення су­проводжується виділенням тепла). Зазвичай розчинність твердих ре­човин із підвищенням температури зростає, а газів - знижується.

Мірою розчинності є концентрація насиченого розчину речовини. Кількісно розчинність можна виразити так само, як і концентрацію: у відносних масовій ( %) і об'ємній (частки одиниці) формах, масовій (кг/м³), молярній (кмоль/м³), моляльній (кмоль/1000 кг) формах, у кілограмах чи молях на 1 кг чистої води. Часто розчинність опису­ють числом масових частин безводної речовини, яка насичує за да­них умов 100 масових частин розчинника, та називають інколи коефіцієнтом розчинності.

Розчин вважається насиченим, якщо за даних умов він перебуває в динамічній рівновазі з речовинами, які розчиняються. Розчини з ни­зьким вмістом розчиненої речовини називаються розбавленими, з ви­соким - концентрованими.

Завдяки великому дипольному моменту, а через де добре вираже­ній полярності вода має потужну іонізуючу здатність і є практично "ідеальним" розчинником.

У воді можуть розчинятися тверді, рідкі та газоподібні речовини. За розчинністю всі речовини поділяються на три групи: добре роз­чинні, погано розчинні, практично нерозчинні. Треба підкреслити, що скло, срібло, золото - приклади практично нерозчинних речовин, про­те і вони в мізерних кількостях розчиняються у воді.

Розчинність твердих речовин. При постійній температурі й тиску ця величина є сталою в даному розчиннику і може бути охарактери­зована так званим добутком розчинності, який відповідає добутку молярних концентрацій іонів даної речовини в насиченому розчині. Згідно із законом діючих мас розчинення речовини (АВ <-> А+В) регу­люються константою рівноваги:

К=[А]х[В]/[АВ]. (1.9)

Оскільки в насиченому розчині в присутності твердої фази концен­трація молекул АВ є сталою величиною, то

[А][В] = const = L . (1-Ю)

Стала L є функцією температури і тиску. Чим менша L, тим менш розчинна дана речовина. Правило добутку розчинності справедливе лише для малорозчинних речовин; воно дає змогу обчислити концен­трацію одного з іонів малорозчинної солі за відомою концентрацією другого. Добутки розчинності поширених у природних водах солей наводяться в спеціальних довідниках.

Розчинення солей, які містяться у водовмісних породах, залежно від гідрохімічних умов може мати чисто дифузійний, чисто кінетич­ний і дифузійно-кінетичний характер.

За характером взаємодії з водою найпоширеніші породотвірні міне­рали, що переважно зумовлюють хімію природних вод, можна поділити на дві великі групи: мінерали, які розчиняються у воді конгруентно (від лат. congruentis - відповідний, що збігається), до них належать карбона­ти, сульфати, хлориди, деякі силікати; мінерали, які розчиняються у во­ді інконгруентно (алюмосилікати і більшість силікатів).

Взаємодія мінералів першої групи з водою має характер простого розчинення, і тому максимальна концентрація хімічних елементів у розчині зумовлюється ступенем розчинності їх сполук.

Розчинність твердих речовин у воді залежить не лише від їх хіміч­ної природи, а й від температури, тиску, подрібненості (дисперснос­ті), від наявності у воді газів і домішок.

Розчинність газів. У всіх природних водах гази розчиняються. За­звичай газ розчинений у воді, але при надлишку частина його може перебувати у вільному (спонтанному) стані, тобто у вигляді маленьких бульбашок. Тому завжди існує рухома рівновага, розчинені у воді га­зи ↔ вільні гази. Поглинання й виділення газу водою - найважливі­ший фізико-хімічний процес, який супроводжується змінами іонно-сольового складу води.

Розчинність газів у воді залежить від при­роди газу, температури, тиску і мінералізації води. Велику розчин­ність у воді мають Н₂S та СО2.

Залежність розчинності газу від тиску зумовлюється законом Генрі: розчинність газів у даному об'ємі рідини (при постійній температурі) прямо пропорційна тиску газу:

С = КР,

де С - кількість розчиненого газу (розчинність), % за об'ємом; Р- тиск даного газу над розчином, Па; К - коефіцієнт пропорційності, який виражає розчинність даного газу при тиску 0,506 • 10⁵ Па.

Формування хімічного складу природних вод

Фактори, які зумовлюють формування хімічного складу природних вод, О. Алекін поділяє на головні та другорядні, а також прямі та опосе­редковані. Прямі фактори - це ті, що безпосередньо впливають на склад води (ґрунти, гірські породи); опосередковані - ті, що діють опосе­редковано, тобто через інші (прямі) фактори. До головних факторів на­лежать ті, що визначають склад води, тобто сприяють формуванню вод певного гідрохімічного типу (хлоридного, сульфатного тощо). Другорядні ж сприяють появі у воді певних компонентів, а завдяки цьому й нових особливостей, проте тип води залишається незмінним.

За характером впливу фактори, які зумовлюють формування хіміч­ного складу природних вод, А. Никаноров поділяє на такі групи: 1) фі­зико-географічні (рельєф, клімат, вивітрювання, ґрунтовий покрив); 2) геологічні (склад гірських порід, тектонічна будова, гідрогеологічні УМОВИ); 3) фізико-хімічні (хімічні Властивості елементів, кислотно-лужні та окисно-відновні умови, змішування вод і катіонний обмін); 4) біологічні (діяльність рослин і живих організмів); 5) штучні (антро­погенні) - усі фактори, пов'язані з діяльністю людини.

Важливу роль у формуванні хімічного складу природних вод відіграє водний режим водойм. Мінералізація води найбільшою мірою залежить від морфологічних особливостей водного об'єкта (розмірів,глибин тощо),умов живлення, характеру водообміну (випаровування,опади,переміщення,стік) і динаміки вод (течії,коливання рівнів,стік і т.п.). тому хімічний склад води різних водойм і водотоків на всьому протязі чи на різних ділянках практично завжди є достатньо різним.

На хімічний склад природної води та його формування дуже вели­кий вплив справляють живі організми. Цей вплив найбільше проявля­ється щодо розчинених у воді кисню і вуглекислого газу. Він супрово­джується асиміляцією СО2 і виділенням О2 при фотосинтезі і зворот­ними процесами при диханні гідробіонтів. Зимою процеси фотосин­тезу завмирають і води, збагачуючись вуглекислотою, збіднюються на розчинений кисень.

Життєдіяльність водної біоти змінює також склад і концентрації розчинних біогенних і органічних речовин. Прижиттєві і посмертні виділення тваринних і рослинних організмів постійно збагачують во­ди біогенними та органічними речовинами. При цьому переважна роль у змінах хімічного складу води належить мікроорганізмам (як аеробним, так і анаеробним), які в процесі своєї життєдіяльності пе­ретворюють складні органічні речовини у більш прості неорганічні сполуки і навпаки.

Серед опосередкованих чинників, що впливають на хімічний склад природних вод, найбільш важливу і в той же час складну роль відіграє клімат, який визначається сукупністю гідрометеорологічних умов, співвідношенням балансу тепла і вологи, від чого залежить ступінь зво­ложення місцевості і, відповідно, водний режим водойм і водотоків.

Переважання опадів над випаровуванням створює високе зволо­ження ґрунтів і невисоку мінералізацію води. Навпаки, мала кіль­кість опадів при високих температурах повітря сприяє потужному випаровуванню та визначає утворення вод із підвищеним вмістом солей. Крім того, кліматичні умови визначають тип ґрунту і таким чином суттєво впливають на хімічний склад поверхнево-схилового стоку і підземних вод.

Унаслідок того,що клімат залежить від широти місцевості,близькості моря і морських течій,циркуляції повітряних мас, рельєфу тощо,залежність хімічного природної води від кліматичних та інших фізико-географічних умов є досить складною. Однак вплив клімату на хімічний склад природних вод наскільки значний,що це доволі часто є вирішальним чинником,який визначає мінералізацію вод.