Вода — это состояние живой материи и ключевой элемент. Все физиологические процессы и биохимические реакции происходят в водных растворах. Примерно 60% общей массы наземных организмов и 80% массы морских организмов состоит из воды. Поэтому неудивительно, что взаимодействие между организмами и гидросферой является одним из общих процессов в биосфере.
Химический состав природных вод является функцией многих прямых и косвенных факторов. Факторами, непосредственно влияющими на формирование состава воды, являются химический состав и свойства горных пород и почв, жизнедеятельность живых организмов и деятельность человека. Косвенные факторы — это обстоятельства, определяющие ход процесса взаимодействия вещества и воды, такие как климат, рельеф и растительность.
Головные ионы. Хлорионы присутствуют почти во всех природных водах. Их концентрация варьируется от примерно 0,1 мг/л в арктическом снеге до 150 мг/л в соленой воде. В атмосферных осадках среднее содержание хлоридов составляет менее 1 мг/л, в поверхностных и неглубоких грунтовых водах в районах с избыточной влажностью (до 30 мг/л, в сухих районах) — до 1000 мг/л. Наиболее важными природными источниками хлорид-ионов, попадающих в природные водоемы, являются: 1) вынос из почвы и водоносных пород. 2) Хлориды, вносимые ветром и атмосферными осадками с моря; 3) Растворы соляной пыли в атмосфере. Все хлориды очень хорошо растворимы. Выпадение осадков из воды возможно только путем замерзания и испарения. На них относительно мало влияют ионный обмен, адсорбция и биологические факторы. Поэтому, когда хлор присутствует в водном растворе, он редко удаляется из раствора с помощью физических процессов.
Сера, как и соли, повсеместно распространена в природных водоемах. Их концентрация варьируется от 0,2 до 100 мг/л. Самые низкие концентрации сернистых ионов наблюдаются при атмосферных выпадениях, а также в грунтовых и поверхностных водах, где происходит восстановление сульфатов. Атмосферные осаждения содержат в среднем до 2 мг/л сульфата. Хотя абсолютная концентрация сульфат-ионов в осадках невелика, они являются наиболее важным поставщиком сульфата над поверхностными водами. Атмосферными источниками сульфатов являются частицы пыли морского происхождения, содержащие сульфатные минералы, и газы (диоксид серы и сульфид серы), образующие сульфат в процессе окисления.
Карбонатные и гидрокарбонатные ионы поступают в природные воды за счет углекислого газа атмосферы, двуокиси углерода почвы и растворения карбонатных пород. Соотношение между карбонатными и гидрокарбонатными ионами в воде определяется рН среды. Диссоциация гидрокарбонатных ионов на карбонатные и водородные ионы активно происходит при рН > 8.2 Следовательно, в щелочной воде преобладают карбонат-ионы. В воде с pH< < 8,2 часть карбонатных ионов реагирует с водородными ионами по схеме:
В этом случае соотношение углеводородных ионов и карбонат-ионов составляет 100:1. При pH.< 4,5 гидрокарбонатные ионы реагируют с ионами водорода, образуя молекулы угольной кислоты:
Это приводит к динамическому равновесию в природных водоемах, определяемому рН среды. Однако доминируют ионы углеводородов (в большинстве случаев рН природных вод почти нейтрален). Подземные воды содержат ионы углеводородов в концентрациях от 10 до 800 мг/л. Наиболее распространенные концентрации составляют от 50 до 400 мг/л.
Кальций является одним из наиболее распространенных катионов в природных водах. Из-за выщелачивания из скал и дна он попадает в воду. Содержание кальция в воде ограничивается концентрацией CO2. Поверхностная вода, находящаяся в равновесии с атмосферным углекислым газом, может содержать 20-30 мг/л кальция при насыщении. Содержание ионов кальция в поверхностных водах повышается до 40-50 мг/л за счет комплекса углекислого газа, карбоната кальция и карбонатов. В сульфатной воде содержание ионов кальция определяется растворимостью сульфата кальция и может быть очень высоким (до 600 мг/л). При увеличении содержания углекислого газа концентрация кальция в почвенной воде может достигать более 100 мг/л.
Ионы магния по своим геохимическим свойствам похожи на кальций. Растворимость карбоната магния также зависит от присутствия углекислого газа. В равновесии с атмосферным углекислым газом в природных водах можно обнаружить до 190 мг/л магния. Почвенная вода с высоким содержанием углекислого газа может значительно увеличить количество растворенного магния. Концентрация магния в воде обычно составляет от 1 до 40 мг/л. Вода, находящаяся в контакте с богатыми магнием породами, может содержать до 100 мг/л Mg 2+, но концентрации выше этого уровня встречаются редко, за исключением морской и соленой воды.
Натрий и калий попадают в природные воды при выщелачивании горных пород и почв. Все природные воды содержат определенное количество этих ионов. Их концентрация в природной воде следующая Ионы натрия от 1 до 20 мг/л и ионы калия до 10 мг/л. По мере увеличения общей кальцификации содержание ионов натрия и калия имеет тенденцию к увеличению.
Питательные вещества. Азот присутствует в воде в виде как неорганических, так и различных органических соединений. Неорганические соединения азота — это аммоний NH4аммоний, нитрит NO2 — и нитрат NO3. Органические соединения азота присутствуют в белках биологических тканей и продуктах их распада, а также присутствуют в воде во время биологических процессов и биохимической деградации биологических остатков.
Неорганические соединения азота попадают в водоемы в результате биодеградации азотных соединений и атмосферных выпадений. Концентрация неорганического азота в природных водах зависит от скорости потребления азотных соединений и скорости регенерации биологических элементов. Средняя концентрация ионов аммония в природных условиях не превышает 0,5 мг/л. Нитрит-ионы (NO2) очень неустойчивы в поверхностном состоянии, поэтому их концентрация в воде обычно не превышает одной тысячной доли миллиграмма на литр (азотный эквивалент). Наибольшая их концентрация наблюдается осенью.
Соединения фосфора встречаются в природной воде в виде неорганических и органических соединений. Основным фактором, определяющим концентрацию фосфора, является обмен между неорганическими и органическими формами и между организмами. Как правило, содержание фосфора в природных водах составляет менее одной десятой миллиграмма на литр.
Микроэлементы. Многие элементы, не относящиеся к вышеперечисленным группам, часто встречаются в природных водах, но их концентрация очень мала, обычно менее 1000 миллиграммов на литр. Такие элементы включают тяжелые металлы (например, ZN, CU, PB, NI, CO), редкие металлы (например, LI, RB, CS, BE), галогены (BR, I, F) и радиоактивные элементы. Низкие концентрации очень важны для распространения микроэлементов в воде. Состав микроэлементов указывает на геологическую историю воды. Кроме того, необычно высокие концентрации ряда металлов в природных водах служат индикаторами при поиске месторождений полезных ископаемых. Многие из этих элементов, даже в минимальных концентрациях, влияют на важные функции растений и животных.
Органические материалы. Изученность органических материалов в химическом составе природных вод значительно хуже, чем для минеральной части.
Насыщение кислородом. Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах от нормального содержания кислорода. Она зависит от температуры воды, атмосферного давления и солености.
Жесткость. Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью . Общая жесткость подразделяется на карбонатную , обусловленную концентрацией гидрокарбонатов (и карбонатов при рН>8.3) Соли кальция и магния и некарбонаты — Концентрация кальциевых и магниевых солей сильных кислот в воде. Карбонатную жесткость называют временной или устранимой жесткостью, поскольку гидрокарбонат преобразуется в карбонат, который выпадает в осадок при кипячении воды. Твердость, которая остается после варки, называется постоянной твердостью. Результат определения твердости обычно выражается как Mg-EQ/DM 3 .
Жесткость воды варьируется в широких пределах. Вода с жесткостью менее 4 мг-экв/дм3 — мягкая, 4-8 мг-экв/дм3 — средней жесткости, 8-12 мг-экв/дм3 — жесткая и более 12 мг-экв/дм3 — очень жесткая.
Окисление: перманганат и бихромат (ХПК). Значения, характеризующие содержание в воде органических и минеральных веществ, которые при определенных обстоятельствах окисляются одним из самых мощных химических окислителей. Существуют различные типы гидроксидации: перманганатная, бихроматная, одоуратная и цериевая. Наилучшее окисление достигается методами окисления бихроматом и водой ODAAT.
1 дм3 Выражается в миллиграммах кислорода, используемого для окисления органических веществ в воде.
Показатели кислотности природных вод изменяются от долей миллиграммов до десятков миллиграммов на литр в зависимости от общей биологической продуктивности водоема, степени загрязнения органическими веществами и связи биологических исходных элементов, а также от Воздействие органических веществ природного происхождения из болот, торфяников и т.д. бергривы и озера имеют кислотность 2-3 мг O/DM3 , равнинные реки — 5-12 мг O/DM3 , а заболоченные реки — десятки миллиграммов на дм3 .
