Физико-химические свойства и состав природных вод

Вода играет исключительно важную роль в поддержании жизни на Земле благодаря комплексу ряда специфических физико-химических свойств. При реально существующих на Земле диапазонах атмосферного давления и температуры вода находится в разных агрегатных состояниях.

У воды аномально высокие температуры кипения и замерзания, зависящие от давления. При нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) точки кипения и замерзания соответствуют 100°С и 0°С. Температура кипения снижается с уменьшением давления.

Другая особенность воды проявляется в температурной зависимости ее от плотности, максимальная плотность при температуре 4 °С, в то время как для других жидкостей характерно уменьшение плотности во всем интервале от температуры замерзания до температуры кипения. Плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком, что не характерно для подавляющего большинства других веществ. При 0 °С плотность льда составляет 916,7, при – 20 °С – 920 кг/м³. Такие особенности изменения плотности объясняются перестройкой структуры молекул. Благодаря этому водоемы не промерзают до дна, так как охлажденная до температуры ниже 4°С вода становится менее плотной и поэтому остается в поверхностном слое. Плотность воды изменяется также в зависимости от содержания в ней растворенных веществ и увеличивается с ростом солености.

Удельная теплоемкость воды – 4190 Дж/(кг.К) выше, чем почти у всех твердых и жидких веществ. Благодаря огромной теплоемкости океан сглаживает перепады температуры, от экватора до полюса они составляют всего около 30°.

Теплота плавления твердой воды (льда) составляет 6,012 кДж/моль, что намного выше соответствующих значений для других веществ. Фазовые переходы, сопровождающиеся значительным поглощением и выделением энергии, обеспечивают длительность сезонных переходов на планете.

Теплота испарения воды (при 0°С – 2,5·103 кДж/кг, при 100°С – 2,26·10³ кДж/кг) также имеет аномально высокое значение, благодаря чему большая часть солнечной энергии расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву земной поверхности. Конденсация паров воды в атмосфере сопровождается выделением тепла. Изменение температуры воздуха является причиной атмосферных циркуляций.

Поверхностное натяжение воды максимально для жидких веществ (за исключением ртути), что приводит к появлению на водной поверхности волн, в результате значительно увеличивается площадь контакта с атмосферой и интенсифицируются процессы теплопередачи и газообмена. С высоким поверхностным натяжением воды связано и действие капиллярных сил, благодаря которым вода может подниматься на высоту до 10 – 12 м от уровня грунтовых вод.

Высокое значение диэлектрической проницаемости дает способность воде являться универсальным полярным растворителем с высокой растворяющей способностью по отношению к веществам с ионной и полярной связью, поэтому в природе вода встречается всегда в виде растворов.

Под загрязнением водоемов понимается снижение их биосферных функций в результате поступления в них вредных веществ. Основными загрязнителями воды являются нефть и нефтепродукты; основные источники загрязнения связаны с нефтедобычей, переработкой, транспортировкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. По оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. тонн нефти, которая на поверхности воды образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Нефть осаждается в донных отложениях, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов. Кроме того, возрос выброс в водоемы таких опасных загрязнителей, как пестициды, поток которых растет с увеличением химизации сельского хозяйства. Также увеличивается поступление таких опасных элементов, как свинец, ртуть, мышьяк, обладающих сильным токсическим действием. Значительно возрос выброс в водоемы бытовых и промышленных сточных вод, содержащих токсичные синтетические моющие средства. Присутствие синтетических моющих средств в воде затрудняет очистку сточных вод и водоснабжение: в отстойных бассейнах образуется пена, снижается эффективность биологический очистки, замедляется осаждение взвешенных частиц, ухудшаются условия флокуляции, качество питьевой воды снижается.

Токсичность, в том числе моющих средств, выражают в единицах LD50. Это количество граммов на 1 кг массы введенного синтетического моющего вещества, при котором погибает 50% подопытных животных. К наиболее опасным относятся катионоактивные поверхностно-активные вещества. Токсичность анионоактивных и неионогенных поверхностно-активных веществ, сравнительно мала.

Компоненты химического состава природных вод в делят на 6 групп:

1.Макрокомпоненты - катионы K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ и анионы Cl¯, SO₄^2-, HCO₃¯, (CO₃^2-). Среднее содержание ионов в природных водах представлено в табл. 2.

Таблица 2

Среднее содержание основных (главных) компонентов ионного состава природных вод

По результатам многочисленных анализов установлено, что в открытом океане соотношения между концентрациями главных ионов остаются примерно постоянными независимо от их абсолютных значений (закон Дитмара).

2. Растворенные газы - O₂, N₂, H₂S, CH₄ и др. Их источниками являются контактирующий с водой воздух и внутриводоемные процессы. Растворимость газов в воде увеличивается с ростом внешнего давления и уменьшается с увеличением температуры.

3. Биогенные вещества. В эту группу входят соединения азота (нитраты, аммонийный азот) и фосфора (фосфаты и гидрофосфаты). Их концентрации в пресных водоемах изменяются в широких пределах от следов до значений порядка 10 мг/л. Также сюда относятся соединения кремния, а также железа в основном в виде гидроксида (+3) и в виде комплексов железа (+3) c органическими кислотами. Наиболее важными источниками биогенных веществ являются внутриводоемные процессы и поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками и сточными водами.

4. Микроэлементы - ионы, за исключением главных ионов и железа.

5.Растворенные органические вещества - органические формы биогенных элементов. В данную группу входят различные классы органических соединений, ввиду сложности определения индивидуальных органических веществ, их многообразия и малых концентраций для количественной характеристики содержания биогенных веществ используют косвенные показатели: общее содержание Сорг., Nорг., Рорг., перманганатную или бихроматную окисляемость воды, биохимическое потребление кислорода. Различают две группы органических веществ: продукты метаболизма и биохимического распада остатков организмов (1 группа) и вещества, поступающие с поверхностными стоками, атмосферными осадками и сточными водами (2 группа). Вещества первой группы характерны для вод морей, озер и водохранилищ, второй – для речных вод.

К токсичным загрязняющим веществамотносятся соединения тяжелых металлов, нефтепродукты, хлорорганические соединения, СПАВ и др.

Природная вода является негомогенной средой из-за наличия в ней взвешенных частиц: микроколлоидных и оседающих частиц, а также микропузырьков газа. Кроме этого, толща воды содержит множество микроорганизмов, образующих фазу биоты, состоящую в равновесии с абиотической средой.

Природные воды принято классифицировать по величине жесткости, определяемой содержанием в воде катионов кальция и магния, в меньшей степени железа.

Величина общей жесткости рассчитывается по формуле:

Ж (мэкв/л) = [....Ca²⁺]/20,04 + [....Mg²⁺]/12,06.

В общей в свою очередь различают карбонатную и некарбонатную жесткость, а также жесткость временную (устраняемую кипячением) и постоянную. При кипячении воды происходит удаление катионов этих металлов в составе образующихся малорастворимых карбонатов:

Ca(HCO₃)₂ = СaCO₃ ↓+ H₂O + CO₂

Mg(HCO3)2 = MgCO3 ↓+ H2O + CO2

Постоянная жесткость воды определяется как разность между общей и временной жесткостью, ее снимают химическими реагентами.

В качестве единицы измерения жесткости воды в России используется моль (жесткости) на кубический метр, численно равный 1 мэкв/л.

Таблица 3

Классификация природных вод по величине общей жесткости

Более распространена величина общей минерализации воды, которая определяется по массе сухого остатка отфильтрованной и выпаренной пробы после высушивания до постоянной массы.

Другая классификация основана на различии распространенных в воде ионов (по О.А. Алекину), различают гидрокарбонатные и карбонатные, хлоридные и сульфатные воды. Существуют более мелкие классификации по преобладающему катиону, далее различают типы в соответствии с количественными соотношениями ионов в воде (моль-экв/л).