1.2.21. Природні води як хімічний розчин

Вода у природі завжди вміщує певні домішки. Частина з них є розчиненими речовинами. Їх концентрації якправило невеликі. Тому природні води являють собою слабкий розчин. Він може бути як справжнім, так і колоїдним. Точніше він поєднує ці різновиди, це складний комплекс речовин. Вода дуже добрий розчинник. В природних водах, у першу чергу морських, зафіксовані практично всі хімічні елементи Землі. Властивості води як розчинника тісно пов’язані з особливостями будови її молекули (електричний диполь). Крім колоїдів у природних водах зустрічаються суспензії та зважені частки (зависі). Вони є основою утворення донних відкладів водойм, змінюють деякі властивості води. Крупність цих часток така, що окремі можна бачити оком.

Процеси утворення та змін розчинів пов’язані з такими властивостями речовин як розчинність та дисоціація. Під розчинністю розуміють здатність речовин утворювати з водою однорідну систему, тобто таку, що характеризується новими загальними властивостями. Наприклад: між твердим тілом та розчином відбувається обмін іонами, або молекулами. Швидкість розчинення залежить від температури та тиску, а швидкість осадження від температури та концепції розчиненої речовини.

Дисоціація, тобто роз’єднання молекул на іони, найбільш характерна для розчинів електролітів. Але чиста вода також характеризується наявністю процесу дисоціації. Його описують рівнянням:

Швидкості дисоціації та утворення молекул в діапазоні температур від 0° С до 50° С приблизно рівні і дуже малі, а добуток концентрацій іонів є постійною величиною . Оскільки концентрації та рівні, то для кожного вони складають . Показник вмісту іону прийнято називати водневим показником, і виражати так:

.

Одиниці вимірювання при цьому не записуються. Величина означає нейтральну реакцію, або стан розчину. При реакція кисла (концентрація іонів більша), а при — лужна. Водневий показник в різних умовах залежить від характеристик домішок у воді, а також від термодинамічних характеристик.

Він відіграє значну роль у визначенні якості води. В річкових водах його значення змінюються від 6,5 до 8,5; атмосферних опадах — від 4,6 до 6,0; в океані — від 7,9 до 8,3; в болотах — від 5,5 до 6,0. У водах копалень та рудників він може досягати 1,0; а содових (карбонатних) озер — 10,0. Водневий показник може змінюватися по порах року. Наприклад для більшості річок він взимку складає 6,8-7,4; а влітку — 7,4-8,2.

У більшості природних вод серед домішок переважають мінеральні речовини і у першу чергу розчинені солі. Тому основними показниками природних розчинів є мінералізація, або солоність. Перший термін частіше використовують для вод суходолу і визначають як сумарний вміст усіх знайдених при хімічному аналізі мінеральних речовин . Термін «солоність» використовують у дослідженнях морських вод. Це сумарний вміст усіх твердих мінеральних розчинених речовин в 1 кг морської води при умові, що всі тверді речовини висушені до постійної маси при температурі 480°С, органічні речовини повністю спалені, броміди та йодіди замінені еквівалентною масою хлориду, а усі вуглекислі солі переведені в оксиди. Вона виражається у проміле . Завдяки тривалій історії розвитку сольової маси океанукількісні співвідношення між концентраціями головних іонів (сольовий склад морських вод) зберігаються однаковими незалежно від їх абсолютної концентрації. Наприклад мають місце такі співвідношення:

Відхилення від цієї закономірності спостерігаються лише у районах сильного впливу прісних річкових вод, та у деяких внутрішніх морях.

Мінералізація та солоність вод змінюються у значних межах — від в атмосферних опадах до в деяких видах ропи (розсолу). Таким чином не всякі природні води є лише слабким розчином. Їх поділяють на чотири групи.

1. Це прісні води, які є питтєвими.

2. Солонуваті. При S = 24,7‰ температура найбільшої густини та замерзання води співпадають.

3. Солоні, морської солоності. у морях практично не спостерігається.

4. Сильносолоні (розсоли).

Особливим поняттям є «мінеральні води». Це в основному підземні води, що характеризуються наявністю деяких біологічно активних компонентів ( та ін.). Часто вони мають підвищену температуру та радіоактивність. Межею з прісною водою вважають . Мінеральні води розрізняють (класифікують) за мінералізацією, іонним складом, газовим складом та специфічними елементами. Межі груп (назви), звичайно, дещо умовні.

Мінералізація та склад природних вод впливають на їх властивості та процеси, що в них відбуваються. До важливих властивостей відносяться жорсткість (твердість), агресивність, лужність та інші.

Твердість води пов’язана з присутністю розчинених солей кальцію та магнію. Розрізняють кальцієву, магнієву та загальну (карбонатну та не карбонатну) твердість. При кип’ятінні вона зменшується і досягає постійної величини. Вода з твердістю менше характеризується як м’яка, від 4 до — середньої твердості, від 8 до — тверда, більше — дуже тверда. Тверда вода не придатна до пиття, а дуже тверда навіть для технічних потреб (на металах з’являються шкідливі накипи та відклади).

Під агресивністю розуміють здатність природних водних розчинів руйнувати шляхом хімічної дії різні матеріали (бетон, конструкції з вапняків, метали). Під впливом скидання у водні об’єкти промислових, побутових та інших стічних вод, особливо таких, що містять соляну, сірчану, інші кислоти та солі амонію, агресивність природної води може значно посилитися. Розрізняють вилуговуючу, магнезіальну, загально-кислотну, сульфатну та вуглекислу агресивність.

Важливою характеристикою поверхневих та морських вод є їх лужність. За нею можна судити про гідрохімічні та геохімічні процеси: формування хімічного складу води, утворення осадових (зокрема карбонантних) порід та інші. Лужність пов’язана з наявністю аніонів слабких кислот, головним чином вугільної (карбонової). Гідроліз аніонів приводить до утворення гідроксильних іонів:

(1.171)

(1.172)

Лужність проявляється також в деяких видах підземних вод. Вона впливає на формування якості води.

Хімічні речовини та елементи в природних водах, біосфері, інших геосферах знаходяться в русі — мігрують. Це відбувається шляхом механічного руху водних мас, випадання в осад, видалення в атмосферу, споживання живими організмами та ін. Можливості переміщень називають міграційною здатністю. Розрізняють внутрішні та зовнішні фактори міграції. До внутрішніх відносять: валентність, іонні радіуси, іонні потенціали. До зовнішніх — енергетику Землі (температурні умови, потоки енергії), склад атмосфери, клімат, біогенні умови.

Різноманітність природних та антропогенно змінених водних розчинів і процесів у них надзвичайно велика. Їх вивчають гідрохімія, гідрогеохімія, прикладна екологія та інші науки. Вони впливають на розвиток природних та технічних систем, на формування водних ресурсів.