Химический анализ воды; отбор проб для анализа

В настоящее время применяют два способа оценки физических свойств и химического состава подземных вод: 1) упрощенный хи­мический анализ и определение физических свойств на месте при помощи походной химической лаборатории; 2) химический и бак­териологический анализы в специально оборудованных стационар­ных лабораториях.

Для упрощения анализов широко применяется полевая гидрохи­мическая лаборатория, сконструированная А. А. Резниковым. Она позволяет определять качественно прозрачность, цвет, запах, вкус, нитрат-ион (NO₃~), сероводород (H₂S), количественно кон­центрацию водородных ионов (рН), железо окисное (Fe³+), железо ззкисное (Fe²⁺), нитрит-ион (NC>2~), аммоний-ион (NH₄⁺), гидро­карбонат-ион (НСО₃~), хлор-ион (С1-), сульфат-ион (SO₄²~), каль­ций-ион (Са²+), магний-ион (Mg²+), натрий-ион и калий-ион (Na+, К⁺), углекислоту свободную и агрессивную, жесткость общую и кар­бонатную, сумму минеральных веществ (сухой остаток) '.

В стационарных лабораториях производят сокращенный анализ по составу, близкому к полевому; цель его — контроль полевых ана­лизов, выполняемых в массовом количестве.

В большинстве случаев в стационарных лабораториях произ-водят полный химический анализ, состав которого определяется целевым назначением воды. Так, для минеральных вод анализ включает количественное определение редких элементов (Вг, I, В, Si и др.), растворенных газов и радиоактивности.

Пробы воды для химического анализа отбираются из источни­ков непосредственно в стеклянные бутылки; из буровых скважин пробы берутся с помощью батометров и пробоотборников.

Формы выражения химического анализа воды

Результаты химических анализов проб воды раньше выражали в виде окислов металла (Na₂O, К2<Э) и ангидридов (SO₃, C0₂ и т. д.). Такая форма выражения не давала правильного пред­ставления о составе воды. В настоящее время основная форма выражения химического анализа ионная. _t При этом, поскольку в растворе молекулы солей распадаются на катионы и анионы, те и

¹ Подробное описание методики производства химических анализов см.: Резников А. А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. Методы анализа природных вод. 1970.

180

другие должны находиться в эквивалентных количествах. Чтобы результаты анализа воды, выраженные в ионной форме, перевести в эквивалентную, надо количество каждого найденного элемента, выраженное в мг/л, разделить на его эквивалентную массу (атом­ная масса элемента, деленная на его валентность). Например, 460 мг/л Na+ соответствует 460:23 = 20 молям Na, a 22,0 мг/л SCU²" составляют 240:48=5,0 молей SO4. Вместо деления на эк­вивалентную массу можно количество ионов, выраженное в мг/л, умножить на величину, обратную эквивалентной массе. В приведен­ных примерах в этом случае будем иметь следующее количество эквивалентов:

В табл. 10 приведены пересчетные коэффициенты для перевода результатов химических анализов из ионной формы (мг/л) в экви­валентную.

ТАБЛИЦА 10

Катионы	Пересчетный коэффициент	Анионы	Пересчетный коэффициент
Водород Н-+	0,9921	Гидроксил ОН~	0,0588
Натрий Na+	0,0435	Нитрат МО3-	0,0161
Калий К+	0,0256	Нитрит МО2-	0,0271
Аммоний МН4+	0,0554	Карбонат СОз2~	0,033
Кальций Са2+	0,0499	Гидрокарбонаг НСОз~	0,0164,
Магний Mg2+	0,0822	Хлор С1~	0,0282
Барий Ва2+	0,0146	Бром Вг~	0,0125
Стронций Sr2+	0,0228	Иод I-	0,0079
Медь Си2+	0,0315	Фтор f-	0,0526
Цинк Zn2+	0,0306	Сульфат-ион S042-	0,0208
Кадмий Cd2+	0,0178	Гидросульфид HS-	0,0178
Алюминий А13+	0,1107	Тиосульфат-ион SjOs2"	0,0316
Марганец Мп2+	0,0364	Гидрофосфат НРО42~	0,0216
Железо F3+	0,0537	Гидроарсенат HAsQt2"	0,0250
Железо Fe2+	0,0858	Сульфит SO2-	0,0302
Никель №2+	0,0341	Силикат Si032-	0,0262
Кобальт Со2+	0,0339

Эквиваленты ионов можно выражать также в процентах от сум­мы анионов и катионов, принимая каждую сумму анионов и катио­нов за 50% или за 100%. Для примера в табл. 11 приводится ана­лиз пробы воды, выраженный в мг/л, молях, в процентах молей. Предлагаемый солевой состав воды:

18!

ТАБЛИЦА 11

Ионы	Содержание в 1 л воды
	мг	МОЛИ	°0 молей
Катионы: Na + К+ Mg2+ Са2+	888,9 20,5 99,4 269,4	38,65 0,52 8,17 13,44	31,80 0,43 6,72 11,05
Итого ...	1278,2	60,78	50,00
Анионы: С1- SQ2- нсо3-	1514,9 756,0 128,1	42,72 15,92 2,14	35,17 13,10 1,73
Итого ...	2343,9	60,78	50,00

Для правильного понимания роли природных вод в геологиче­ских процессах необходимо рассматривать их как сложный рас­твор, находящийся во взаимодействии с твердой и газообразной фазами литосферы, содержащий различные химические элементы.

Если природную воду выпаривать в фарфоровой чашке, то после этого в ней останется так называемый плотный остаток, ко­личество которого выражают в мг/л или г/л. После прокаливания остатка при +105—110° С все органические вещества сгорают, в результате наблюдается некоторая потеря в массе. Образующийся после сгорания органических веществ остаток называют сухим, или прокаленным, и количество его выражают также в мг/л или г/л. Разность между массой плотного и сухого остатка называют потерей при прокаливании, ее обычно выражают в мг или в про­центах к первоначальной массе. У подземных вод, мало загрязнен­ных органическими соединениями, потеря при прокаливаниии не превышает 3—5%.

Следует иметь в виду, что при прокаливании плотного остатка происходит разложение карбонатов и выделение свободной угле­кислоты, вследствие чего потеря в массе получается несколько боль­ше массы органических веществ. Поэтому для определения сухого остатка выделяющуюся свободную углекислоту определяют от­дельно и вводят соответствующую поправку к массе остатка, полу­ченного после прокаливания.

Результат химического анализа воды иногда выражают в гра­фической форме в виде диаграммы-прямоугольника, графика-

182

квадрата и графика-треугольника или комбинации квадрата и двух треугольников. На диаграмме в определенном масштабе от­кладывают содержание ионов в процент-эквивалентах, на одной половине диаграммы показывают ионы металлов — катионы, на другой — ионы кислотных остатков — анионы.

График-квадрат предложен Н. И. Толстихиным (1928). На гра­фике по горизонтали откладывают содержание катионов, а по вер­тикали—содержание анионов (в процент-эквивалентах).

Графики-треугольники (рис. 79) строятся отдельно для катио­нов (Na+ + K+, Ca²+ и Mg²+) и анионов (С1-, SO₄²- и НСО₃~). На каждой стороне треугольника откладывают процент-эквиваленты перечисленных компонентов. Результат химического анализа воды,

Рис. 79. Графики-треугольники

как и на графике-квадрате, изобразится точкой, причем местополо­жение ее сразу указывает тип воды.

Во Франции и в ряде других стран Европы для изображения химического состава подземных вод пользуются логарифмической диаграммой, описанной впервые в 1948 г. Ж- Кастани и X. Шол-лером.

Логарифмическая диаграмма (рис. 80) состоит из семи верти­кальных шкал. На шести из них нанесены компоненты в мг/л и на одной — в градусах — для dH; шкалы расположены на равном расстоянии друг от друга и обозначены соответственно Са, Mg, dH, Na, Cl, SO₄, CO₃. Двух вертикальных шкал по боковым рам­кам диаграммы (в молях/л); трех вставных шкал: рН, коэффици­ента /С и свободной ССЬ; из пяти пунктирных линий, пронумеро­ванных от I — до V и соответствующих стольким же классам во­ды по ее характеристике для потребления '.

Основные логарифмические шкалы, градуированные в мг/л, слу­жат для выражения результатов химического анализа воды.

¹ Подробное описание диаграммы см.: Богомолов Г. В. Гидрогеология с основами инженерной геологии. М., «Высшая школа», 1962.

183

Рис. 80. Логарифмическая диаграмма