3.1. Молекулярный состав воды. Формула воды (Н2О) была установлена в 1784 г. выдающимся английским учёным Генри Кавендишем. Молекула воды способна диссоциировать на ион водорода (Н+) и гидроксил–--ион (ОН--). Эти иИоны могут соединяться с молекулой воды и образовывать комплексные (гидратированные) ионы: гидроксоний (Н3О+) или гидроксил-моногидрат (Н3О2--). Кроме того, в воде присутствует также пероксид водорода (Н2О2).
3.2. Изотопный состав воды. Вода состоит из водорода и кислорода, и у каждого из этих химических элементов есть изотопы.
Изотопами называются разновидности химических элементов, имеющие в ядрах одинаковое число протонов, но отличающиеся числом нейтронов., которое может варьировать от 0 до 4. Нейтроны имеют массу, равную массе протонов, но не имеют электрического заряда.
У атома водорода возможны 3 изотопа: протий, дейтерий и тритий. Преобладающее распространение в природе имеет протий 1Н, в ядре которого нейтроны отсутствуют. В ядре дейтерия 2Н (или D) присутствует 1 нейтрон, и масса дейтерия составляет 2 атомные единицы массы. В ядре трития 3Н (или Tr) присутствует 2 нейтрона, и масса трития составляет 3 атомные единицы массы.
У атома кислорода возможны 5 изотопов: 16О, 17О, 18О, 19О, 20О. Наиболее распространён изотоп 16О, второе место занимает изотоп 18О, остальные изотопы встречаются редко.
Тяжёлой водой называется вода, в состав которой входят изотопы 2Н, 3Н, 17О, 18О, 19О, 20О.
В природе наиболее распространённой тяжёлой водой является 1Н218О (около О,2 % всего
объёма природных вод). В технических целях изготавливается и применяется вода 2Н216О.
3.3. Растворы в подземных водах. Растворами называются однородные смеси двух или нескольких веществ. Растворы подразделяются на газовые, твёрдые и жидкие. Примером газового раствора является атмосферный воздух. Примерами твёрдых растворов являются сплавы (чугун, бронза, никелированная сталь и пр.). Следует обратить внимание на тот факт, что при рассмотрении газовых и твёрдых растворов не применяются понятия «растворитель» и «растворённые вещества». Данные понятия применяются только при рассмотрении жидких растворов. При этом, растворителем называют вещество, находящееся в избытке, а все остальные вещества называют растворёнными (или компонентами раствора).
3.4. Типы растворов в подземных водах. Водные и другие жидкие растворы подразделяются по размерам растворённых частиц на коллоидные (частицы с диаметром от 10-7 м до 10-9 м, т.е. 1 нм - 100 нм), молекулярные (газы и органические вещества растворяются в воде и других жидкостях в виде целых молекул) и ионные. Следует подчеркнуть, что воды, содержащие частицы твёрдых веществ с d>10-7 м, растворами не являются, а представляют собой суспензии (или взвеси). В подземных водах взвеси и коллоидные растворы встречаются только в районах с интенсивным развитием суффозии, а в остальных районах практически отсутствуют.
3.5. Методы выражения концентраций растворённых веществ в водных растворах.
На практике наиболее широко применяется массово-объёмная форма выражения концентраций растворённых веществ (мг/дм3 или мг/л, г/дм3 или г/л и т.д.). Однако, во многих случаях (например, при обработке результатов сокращённого химического анализа воды) необходимо применять молярную форму выражения концентраций. Моль любого иона равен атомной массе химического элемента или атомной массе группы химических элементов, делённой на валентность иона и выраженной в граммах. Соответственно, миллимоль является тысячной долей моля и выражается в миллиграммах. В одном миллимоле любого иона содержится 6,023∙10Широко 20 ионов. Пприменяется также выражение концентраций растворённых ионов в миллимоль-%.
3.6. Классификация компонентов ионных растворов подземных вод. Прежде всего, ионы делятся на катионы, имеющие положительный электрический заряд, и анионы, имеющие отрицательный электрический заряд. Кроме того, ионы делятся по степени распространённости на макрокомпоненты, мезокомпоненты и микрокомпоненты.
3.7. Макрокомпоненты. К макрокомпонентам ионного состава подземных (а также поверхностных) вод относятся 6 ионов:
1) ион кальция или кальций-ион (Ca2+),
2) ион магния или магний-ион (Mg2+),
3) ион натрия или натрий-ион (Na+),
4) гидрокарбонат-ион (HCO3--),
5) сульфат-ион (SO42--),
6) хлорид-ион (Cl--).
1 миллимоль Ca2+ равен 20 мг, Mg2+ -- 12 мг, Na+ -- 23 мг, НСО3-- -- 61 мг, SO42---- 48 мг,
Cl-- -- 35,5 мг.
Суммарная концентрация макрокомпонентов составляет в разных районах мира от 90 до 99 % общей концентрации ионов в подземных водах. Содержание сульфат-иона и хлорид-иона в питьевых водах регламентируется. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для сульфат-иона составляет 500 мг/дм3, для хлорид-иона – 350 мг/дм3. Если концентрация этих ионов повышена, хотя и не превышает ПДК, выполняется следующий расчёт: концентрация сульфата делится на 500 мг/дм3, концентрация хлорида делится на 350 мг/дм3, в результате получаются две безразмерные дроби, которые суммируются. Если сумма превышает единицу, такая вода признаётся недопустимой для питьевых целей.
3.8. Мезокомпоненты. Суммарная концентрация мезокомпонентов составляет в разных районах мира от 1 до 10 % общего количества ионов в подземных водах. Среди катионов к мезокомпонентам относятся аммоний (NH4+), ион калия (К+) и ион железа (Fe3+). Аммоний распространён в водоносных горизонтах, близких к земной поверхности, ион калия – в
глубоких водоносных горизонтах (в неглубоко залегающих водоносных горизонтах он является микрокомпонентом), ион железа – в грунтовых водах северных районов (в остальных районах он является микрокомпонентом). Среди анионов к мезокомпонентам относятся сульфит (SO32--), сульфид (S2--), гидросульфид (HS--), нитрат (NO3--) и нитрит (NO2--). Содержание аммония, нитрата и нитрита в питьевых водах регламентируется. Их общая концентрация не должна превышать 45 мг/дм3.
3.9. Микрокомпоненты. Суммарная концентрация микрокомпонентов составляет менее
1 % общего количества ионов в подземных водах. Однако, их роль в обеспечении полноценного питания человеческого организма весьма значительна (естественно, если не превышается норма ПДК для данного химического элемента). Например, Fe3+ входит в состав гемоглобина крови (красных кровяных телец), который в организме обновляется через каждые 80 суток, и его недостаточное поступление вызывет заболевание (железистая анемия). Ион Co2+ входит в состав витамина В12 (кобал-амин). Недостаток в питьевой воде иона иода вызывет заболевание щитоводной железы (зоб), недостаток ионов кальция (макрокомпонент) и фтора – кариес зубов. Все микрокомпоненты находятся в подземных водах в виде ионов и хорошо усваиваются организмом человека, тогда как в поверхностных водах, насыщенных растворённым кислородом, все микрокомпоненты окислены, а в виде окислов они никакой ценности для организма человека не представляют.
3.10. Виды химических анализов воды. Существует три вида химических анализов воды: полный, сокращённый и специальный. При полном анализе определяются концентрации всех катионов и анионов, содержащихся в воде. Такой анализ является чрезвычайно дорогостоящим и выполняется крайне редко. При сокращённом анализе определяются концентрации макрокомпонентов: ионов Ca2+, Mg2+, HCO3--, SO42--, Cl--, а концентрация иона Na+ рассчитывается. Сокращённый химический анализ воды наиболее широко применяется при всех видах исследований. При специальном анализе определяются концентрации макрокомпонентов (по методике сокращённого анализа) и концентрации ионов, представляющих особый интерес при данном виде исследований.
3.11. Обработка результатов сокращённого химического анализа воды. Прежде всего, необходимо выразить концентрации Ca2+, Mg2+, HCO3--, SO42--, Cl— в миллимоль/дм3, для чего следует разделить массово-объёмные концентрации этих ионов соответственно на 20, 12, 61, 48 и 35,5 мг. Полученные концентрации ионов в ммоль/дм3 (или ммоль/л) принято выражать в виде целых чисел и их десятых долей (в нижеприведенном примере: концентрация иона кальция – 8,2 ммоль/дм3, концентрация иона магния – 10,5 ммоль/дм3 и т.д.). Затем подсчитывают суммарную концентрацию анионов в ммоль/дм3 (в примере – 21,8 ммоль/дм3). Суммарные концентрации анионов и катионов, выраженные в ммоль/дм3, равны друг другу. Это позволяет определить молярную концентрацию Na+, вычтя из суммарной концентрации катионов молярные концентрации Ca2+ и Mg2+ (в приведенном примере: 21,8 – 8,2 – 10,5 = 3,1). Умножив 3,1 ммоль/дм3 на 23 мг (1 ммоль Na+), определяем концентрацию данного иона в мг/дм3 (в примере: 71 мг/дм3). Затем рассчитываем минерализацию воды. Минерализацией называется суммарная концентрация всех макроионов, выраженная в г/дм3 или г/л (в примере: 164 + 126 + 71 + 378 + 264 + 355 = 1338 мг/дм3 или 1,4 г/дм3, т.к. округление делается всегда в сторону увеличения). Затем подсчитываются миллимоль-процентные содержания ионов (смотри таблицу).
| Концентрация мг/дм3 ммоль/дм3 ммоль-% | Концентрация мг/дм3 ммоль/дм3 ммоль-% |
| Ca2+ 164 8,2 36 | HCO 3-- 378 6,3 34 |
| Mg2+ 126 10,5 50 | SQ42- 264 5,5 25 |
| Na + 71 3,1 14 | Cl-- 355 10,0 41 |
| Сумма катионов 361 21,8 100 | Сумма анионов 977 21,8 100 |
| Минерализация: 1338 мг/дм3 = 1,34 г/дм3 |
Cl 41 HCO3 34 SO4 25
Формула Курлова: М1,4 ------------------------------
Mg 50 Ca 36 Na 14
Название воды: слабосолоноватая сульфатно-гидрокарбонатно-хлоридная кальциево-магниевая.
Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 97 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| О С Н О В Н Ы Е Ф И З И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А | | | Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А |