3. Определение основных физических и химических показателей воды

Вода - важнейшее химическое вещество на Земле. Она - основа жизни, среда возникновения жизни на нашей планете и самый необходимый продукт потребления для человека. Основная характеристика природной воды - это её химико-биологические свойства, от элементарного соединения водорода и кислорода до обогащения этого соединения (воды) простыми веществами, которые включают элементы практически всей таблицы Менделеева и продуктами жизнедеятельности организмов.

Плотность воды – масса ее единицы объема. Зависит от температуры и максимальна при 4° С. За единицу плотности принимается плотность дистиллированной (химически чистой) воды при 4° С и нормальном атмосферном давлении. По мере растворения солей и увеличения солености плотность воды увеличивается. Плотность морской воды определяют при температуре и солености в месте и в момент взятия пробы, сравнивая ее с единицей плотности. В этом случае плотность выражается символом S^t/4˚. Т.к. плотность морской воды при различной солености и температуре различается начиная со знака после запятой, а вначале идет 1,0, то для упрощения записей введено понятие условной плотности ơ_t, которая получается «отбрасыванием» 1,0 и умножением значения плотности на 1000. Например, плотность S^t/4˚ воды при температуре 0˚ С и солености 35‰ равна 1,0128126, а условная плотность ơ_t этой воды равна 28,126. Плотность воды находится по температуре и солености воды в момент взятия пробы по «Океанографическим таблицам».

При переходе воды из жидкого состояния в твердое происходит быстрая и интенсивная перестройка структуры воды с резким возрастанием количества многочленных агрегатов. Объем воды возрастает на 10%. Поэтому при замерзании вода нередко разрывает или разламывает заключающие ее емкости и повреждает сооружении, построенные без учета этой ее особенности. Резкое расширение воды сопровождается таким же резким (на 10%) уменьшением ее плотности. Поэтому вода в твердом состоянии легче, чем в жидком; и лед всегда держится на поверхности.

Удельный вес воды выражает вес единицы ее объема. Вес воды зависит от ее температуры и является наибольшим при 4° С. По мере растворения солей, т.е. повышения солености, вес воды увеличивается. При определении удельного веса нужно относить его к какой-то определенной температуре и солености. За единицу удельного веса воды принимается вес 1 см³ дистиллированной воды при 4° С и нормальном атмосферном давлении. Удельный вес морской воды определяют при температуре и солености в момент взятия пробы или относя его к какой-то условно принятой температуре. Часто пользуются удельным весом, определенным при температуре 17,5° С (средняя температура лаборатории). Удельный вес морской воды при разной температуре и солености различается начиная со второго знака после занятой, а вначале идет 1,0. Поэтому по аналогии с плотностью для упрощения записей введено понятие условного удельного веса ρ_17,5, который получается умножением значения удельного веса на 1000 и отбрасыванием 1,0. Удельный вес численно совпадает с плотностью и определяется по температуре и солености воды в момент взятия пробы с помощью «Океанографических таблиц».

Удельный объем воды α^t/4˚ численно равен величине, обратной плотности, т.е.

Удельный объем воды меньше единицы и начинается с 0,9. По аналогии с условной плотностью введено понятие условного удельного объема V_t, получаемого отбрасыванием 0,9 и умножением значения удельного объема на 1000.

Изменение температуры вызывает в воде перестройку ассоциаций молекул, на что затрачивается дополнительная энергия. Все процессы, связанные с поглощением или выделением тепла, протекают в воде аномально. В частности, аномально высока скрытая теплота плавления (льдообразования) воды. Чтобы растопить 1 кг химически чистого льда при температуре 273° К, надо затратить 3,35*10⁸ Дж/кг (80 кал/г) тепла. При образовании льда такое же аномально высокое количество тепла выделяется.

Температура замерзания τ химически чистой воды равна 273 К (0° С). С увеличением солености τ понижается.

Температура кипения воды аномально высока и равна 373° К (100° С). Скрытая теплота парообразования (конденсации) воды аномально высока. Чтобы обратить 1 кг воды при 373° К (100° С) и нормальном атмосферном давлении в пар, надо затратить 2,26*10⁶ Дж/кг (539 кал).

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость воды – количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды до 1 К (или 1° С). Она равна 4,19*10³ Дж/(кгК). С увеличением солености теплоемкость воды понижается, так как теплоемкость большинства растворенных в воде солей невелика. Большая теплоемкость воды играет значительную роль в процессе охлаждения и нагревания водоемов, а также в формировании климатических условий прилегающих районов.

Теплопроводность воды незначительна. Теплопроводность химически чистой воды при температуре 20° С равна 0,557 Вт/(мК). Теплопроводность воздуха при той же температуре составляет всего 0,023 Вт/(м К). Вода, лед и снег плохо проводят тепло, поэтому в водоемах передача тепла в глубины происходит очень медленно. Распространение тепла вглубь водных объектов связано главным образом с процессами вертикального перемешивания.

Давление воды с увеличением глубины на каждые 10 м возрастает примерно на 10⁵ Па, что соответствует 1 бар (1 кг/см² или 1 атм). На глубине 1000 м вода оказывает давление около 10⁷ Па, т.е. около 100 кг/см².

Внутримолекулярные силы проявляются внутри воды в виде сил сцепления, а на свободной поверхности – в виде сил прилипания (адгезии). Силы сцепления обусловливают вязкость, силы прилипания – поверхностное натяжение. На свободной поверхности межмолекулярные силы стремятся втянуть все молекулы во внутрь жидкости и уменьшить свободную поверхность. В результате возникает сила поверхностного натяжения, направленная нормально к поверхности воды. Коэффициент поверхностного натяжения изменяется от 7,13*10^-2 до 7,65*10^-2 Н/м в зависимости от температуры и солености. С явлениями поверхностного натяжения и смачивания связана способность воды подниматься по капиллярам и порам грунта над свободной водной поверхностью.

Растворяющая способность воды огромна, что обусловлено полярностью ее молекул. Вода обладает практически неограниченной способностью расщеплять вещества на ионы и растворять их. В природе нет химически чистой воды. Даже при выпаривании дождевой воды может быть получено до 30 мг сухого остатка на 1 л.

В природных водах, особенно в морских, растворено много химических веществ. Вода представляет собой раствор, подчиняющийся всем законам слабых растворов. Вода полностью ионизирована – все соли находятся в ней в виде отдельных ионов. В воде растворена почти половина известных химических элементов (даже серебро, уран, радий). Некоторые вещества (кобальт, олово, никель) содержатся в воде в таких малых количествах, что обнаруживаются только в тканях живых организмов (голотурий, устриц, омаров и др.), способных их накапливать. Все вещества находятся в воде в виде солей, которые могут быть объединены следующим образом (табл.2).

Вкус океанической воды горько-соленый. Степень ее минерализации выражают через соленость, показывающую, какое количество минеральных солей (в г) растворено в 1 кг морской воды (при условии, что бром и йод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекислые соли переведены и окиси, а все органические вещества сожжены при температуре 480° С). Определяется соленость в промилле. Обозначается значком S‰. В 1 кг речной воды растворено в около 0,17 г солей, поэтому она пресна. Количество солей в пресных водах выражают через минерализацию (в мг/л), показывающую, какое количество минеральных солей (в мг) растворено в 1 л воды.

Таблица 2 - Содержание основных солей в водах Мирового океана и суши.

Соли	Океан, %	Водоемы, суши, %
Хлориды	88,7	5,2
Сульфаты	10,8	9,9
Карбонаты	0,3	60,1
Прочие	0,2	24,8

В 1 кг океанической воды содержится в среднем 35 г солей, среди них (в г):

Cl	19,3	Ca	0,4
Na	10,6	K	0,4
SO4	2,7	Br	0,06
Mg	1,3	CO3	0,03

В количественном содержании солей в водах Мирового океана и суши заключено первое различие между ними.

Второе различие – в их качественном составе. Водам Мирового океана характерно такое соотношение ионов:

Сl¹ > SO₄² >НСО₃¹

Nа +К^. >Мg^..>Са^...

В водах суши, наоборот,

НСО₃¹ > SO₄² > Сl¹

Са^... > Мg^.. > Nа +К^.

Третье различие в том, что водам Мирового океана свойствен закон постоянства солевого состава, который проявляется в постоянстве процентного соотношения между концентрацией главных ионов, соблюдаемом вне зависимости от их абсолютного содержания. Общую солености вод Мирового океана и отдельных его частей определяют, зная содержание какой-то одной соли. Соленость морской воды рассчитывают по количеству хлоридов, так как, во-первых, их содержание в воде больше, чем каких-либо других солей, а во-вторых, они очень легко определяются. Существует формула, по которой рассчитаны специальные таблицы, помещенные в книге «Океанографические таблицы».

S‰ = 0,030+1,8050Cl

Для морей, сильно изолированных от океана, эта формула имеет несколько иные коэффициенты, возрастающие по мере увеличения степени изолированности моря.

Концентрация солей в водах суши не постоянна, поэтому рассчитать общую минерализацию пресной воды по какой-то одной соли нельзя. Нужно определять содержание всех солей.

Соленость воды – важнейший гидрологический показатель. Соленость влияет на многие физические свойства воды (табл.3).

Таблица – 3. Общая минерализация.

Наименование воды	Общая минерализация, г/л
Ультрапресная	до 0,1
Пресная	более 0,1 до 1,0
Слабопресная	более 1,0 до 3,0
Соленая	более 3,0 до 10,0
Сильносоленая	более 10,0 до 50,0
Рассол	более 50,0 до 300,0
Ультрапресная	более 300,0

Увеличивая плотность, она вызывает течения и вертикальное перемешивание, перераспределяя все характеристики водоема. Соленость определяет физические, химические механические свойства льда, влияет на характер распространения звука в воде. Огромно ее воздействие на обитателей водоемов. С ней связана плавучесть икры, личинок и множества планктонных организмов, а также солевой состав крови и тканей. Нет такого явления или процесса в водоеме, который прямо или косвенно не был связан с соленостью. От нее зависит температура наибольшей плотности и замерзания воды.

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов – табл.4.

Таблица - 4. Характеристика вод по цветности

Цветность Единица измерения Очень малая до 25 Малая более 25 до 50 Средняя более 50 до 80 Высокая более 80 до 120 Очень высокая более 120

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) – показатель, определяемый при окислении «органики» природных вод не химическими веществами, а биохимическими воздействиями в аэробных условиях. Чаще определяют биохимическое потребление кислорода за пять суток – БПК5, и, как правило, этот показатель в поверхностных водах находится в пределах 0,5–4,0 мгО₂/л.

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л. В артезианской воде кислород практически отсутствует.

Величина pH – один из важнейших показателей качества воды для определения ее стабильности, накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах.

Измерение температуры воды на поверхности и в неглубоких (до 5 м) водоемах производится с помощью родникового поверхностного термометра, представляющего собой ртутный термометр, вставленный в металлическую или пластмассовую оправу. Резервуар термометра находится в металлическом (пластмассовом) стакане, в котором при подъеме термометра на палубу остается вода, некоторое время сохраняющая значение температуры на заданном горизонте. Отсчеты снимаются с точностью до 0,1° по тем же правилам и с теми же предосторожностями, которые соблюдаются при пользовании термометрами для измерения температуры воздуха. Термометр держат вертикально, чтобы в продолжение снятия отсчета из стакана не вылилась вода. Обработка показаний родникового термометра сводится к введению инструментальных поправок из паспорта термометра.

Температура воды на больших глубинах измеряют с помощью глубоководных опрокидывающихся термометров (рис. 7), устроенных так, что при их опрокидывании часть ртути, вышедшей из резервуара основного термометра в его капилляр, отрывается и стекает в особый резервуар в верхней части термометра. Тем самым сохраняются показания термометра при поднятии его с заданного горизонта.

Термометр спускается на тросе в специальной опрокидывающейся металлической раме, срабатывающей при ударе о нос посыльного грузика, посылаемого по тросу. При подъеме термометра длина оторвавшейся части ртути несколько изменяется. Если на поверхности теплее, она увеличивается, если холоднее, – уменьшается. Чтобы ввести поправку на это изменение длины столбика ртути, надо знать точную температуру внутри термометра. Для ее измерения служит второй термометр – вспомогательным, помещенный вместе с основным термометром в герметичную стеклянную трубку. Это ртутный термометр, позволяющий снять отсчет с точностью до 0,1°. Точность показаний основного термометра 0,01°.

Рисунок - 7. Глубоководный опрокидывающийся термометр: 1 – капилляр; 2 – резервуар; 3 – вилка; 4 – цилиндрический канал; 5 – термометр.

Для большей надежности на заданный горизонт опускают два термометра (левый и правый), помещенных в одной раме (рама рассчитана на пару термометров). При подъеме термометров на поверхность снимается первый отсчет в следующем порядке: правый (термометр) вспомогательный, правый – основной, левый вспомогательный, левый – основной. Вначале снимаются сотые и десятые доли градуса, затем целые. Не переворачивая, термометры оставляют на 5-7 мин в тени (в это время производят отбор проб воды для химического анализа), после чего снимают второй отсчет, который и подлежит обработке. Обработка производится с помощью «Океанографических таблиц» на специальных бланках. Помимо ртутных термометров широко применяются различные системы электротермометров и самописцев температуры.

Определение качества воды рыбоводных емкостей в Инновационном центре аквакультуры «Биоаквапарк» АГТУ

Имерения температуры и уровня кислорода проводились с помощью термоанемометра (термооксиметр). Термоанемометр - анемометр, принцип действия которого основан на зависимости между скоростью потока жидкости или газа и теплоотдачей нагретой проволочки, помещенной в этот поток. Уровень рН с помощью ОВПрН-метра.

Таблица – Показатели воды рыбоводных емкостей

Показатели	Вид бассейна
	№1	№2	№3	№4
	Бассеин с окуневыми	УЗВ с осетровыми	Бассеин с осетровыми на прямотоке	Бассеин с карповыми
to	18,3	21,7	18,6	19,4
O2	5,5	5,9	4,8	5,6
Насыщ. O2 в %.	47	67	51	60
pH	6,74	6,70	7,08	5,81

Выводы:

В бассейне №1 Температура не превышает допустимую, рН в норме. Допустимые условия для данного вида.

Бассеин №2. рН в пределах нормы, уровень насыщения кислорода ок.70%.Наблюдается незначительный недостаток кислорода. Вода пригодна для данного вида.

В бассейне №3 наблюдается недостаток кислорода, его процентное содержание не достигает 70%, что недопустимо для данного вида. Уровень рН в пределах нормы.

Бассеин №4. Содержание кислорода оптимально, рН не превышает нормы. Допустимые показатели.