Роль води в природі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Гідросфера, або водяна оболонка Землі, - це її моря й океани, крижані шапки приполярних районів, річки, озера й підземні води. Запаси води на Землі величезні - 1,46 109 км³ (0,025% її маси). Але це переважно гірко-солона морська вода, непридатна для пиття й технологічного використання. Прісна вода становить усього 2% її загальної кількості на планеті, причому 85% її зосереджено в льодовикових щитах Гренландії та Антарктиди, айсбергах і гірських льодовиках. І лише 1% прісної води містять річки, озера й підземні води; саме ці джерела й використовує людство для своїх потреб.

Космонавти кажуть, що коли дивитися на Землю з висоти космічної орбіти, то око розрізняє переважно два кольори: білий колір хмар і крижаних полярних шапок і блакитний колір Світового океану, що вкриває 71% поверхні нашої планети; морська вода - найпоширеніша на Землі речовина.

Вода, як елемент глобальної екосистеми, виконує дуже важливі функції:

- вода - це основна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70% складається з води, а деякі організми, такі як медуза або огірок, на 98-99%);

- з участю води здійснюються численні процеси в екосистемах (наприклад, обмін речовин, тепла);

- води Світового океану - основний кліматоутворюючий фактор, головний акумулятор сонячної енергії й «кухня» погоди для всієї планети;

- вода - один із найважливіших видів мінеральної сировини, основний природний ресурс, що споживається людством (сьогодні води використовується в тисячі разів більше, ніж нафти чи вугілля).



1. Охорона гідросфери

У природних умовах відбувається постійний кругообіг води, за рахунок чого вода самоочищається. Зі збільшенням витрат води для промислових і побутових потреб посилюється забруднення води відходами. У водойми потрапляють сполуки феруму, нітрогену, фосфору, сульфуру, плюмбуму, а також жири, поверхнево-активні речовини, кислоти, отрутохімікати, радіоактивні сполуки, нафта і продукти її перегонки та ін. Це може призвести до втрати здатності водойм до самоочищення і їх загибелі. Розчинений у воді кисень необхідний для життя мешканців водойм - фітопланктону, морських водоростей, бактерій, риб та ін. За рахунок діяльності аеробних бактерій кисень витрачається на окиснення органічних речовин, залишків тваринних і рослинних організмів. При цьому утворюються СО2, Н2О, а також невеликі кількості іонів NО3-, РО43-, SO42-, які засвоюються рослинами. Тим самим відбувається самоочищення водойм. За рахунок надлишку органічних речовин здійснюється відновна реакція розкладу внаслідок діяльності анаеробних бактерій. Це призводить до утворення СН4, NН3, Н2S, РН3. Вода набуває гнильного запаху; гинуть мешканці водойм. Великої шкоди водоймам завдають розчинені у стічних водах мінеральні добрива, змиті з поверхні ґрунту. Відбувається бурхливе розростання бур'янів і водоростей. Водойми перетворюються в болота. Щоб запобігти змиванню добрив, їх капсулюють - покривають майже нерозчинною у воді оболонкою, через яку мінеральні добрива виділяються за рахунок дифузії. Побутові стічні води знезаражуються хлором або озоном, піддаються біологічному очищенню. Найбільш надійним способом захисту водойм від промислових стічних вод є створення замкнутих систем, які забезпечують багаторазове використання води у виробництві.



2. Умови формування хімічного складу води

Фактори, які зумовлюють формування хімічного складу природних вод, можуть бути прямими та опосередкованими, або головними та другорядними. Прямі фактори - ті, що безпосередньо впливають на склад води, її гідрохімічний тип (ґрунти, гірські породи); опосередковані - ті, що діють опосередковано, тобто через прямі фактори (наприклад, рельєф).

За характером впливу фактори, які зумовлюють формування хімічного складу природних вод, поділяються на такі групи: 1) фізико-географічні (рельєф, клімат, вивітрювання, ґрунтовий покрив); 2) геологічні (склад гірських порід, тектонічна будова, гідрогеологічні умови); 3) фізико-хімічні (хімічні властивості елементів, кислотно-лужні та окисно-відновні умови, змішування вод і катіонний обмін); 4) біологічні (діяльність рослин і живих організмів); 5) штучні (антропогенні, техногенні) - всі фактори, пов'язані з діяльністю людини.

Умови формування природних вод залежать від взаємодії та послідовності прояву зазначених факторів, неоднакових для поверхневих і підземних вод.

Наприклад, фізико-географічні та біологічні фактори переважно впливають на склад поверхневих вод і є другорядними при формуванні підземних.

1. Фізико-географічні фактори

Рельєф належить до опосередкованих факторів, впливає на умови водообміну, від яких залежать мінералізація та хімічний склад природних вод.

Ступінь розчленованості рельєфу зумовлює розміри поверхневого стоку й дренованість підземних вод.

Клімат передусім зумовлює метеорологічні фактори, від яких залежить водний режим поверхневих і підземних вод. Основними метеорологічними елементами є атмосферні опади, температура і випаровування.

Формування хімічного складу природних вод починається в атмосфері.

З усіх природних вод найшвидші зміни мінералізації і складу спостерігаються в атмосферних опадах. Проте, незважаючи на таку мінливість, склад опадів в цілому є характерним для даної місцевості, відповідно до типу географічного ландшафту. Мінералізація атмосферних опадів переважно нижча, ніж у річках і озерних водах. Опади звичайно зменшують мінералізацію поверхневих і ґрунтових вод.

Температура повітря впливає на склад води як самосадочних озер, так і прісних поверхневих вод. В останньому випадку склад води змінюється внаслідок випадання з неї карбонату кальцію за підвищення температури. Тому влітку в умовах жаркого клімату трапляється садка кальциту в мілководних, добре прогрітих водоймах.

Хімічний склад води змінюється також під впливом низьких температур при промерзанні. В разі кристалізації льоду виділяються важкорозчинні сполуки, а в розчинах зберігаються найбільш легкорозчинні за низьких температур сполуки, до яких належать хлориди кальцію, магнію і натрію.

Випаровування є одним з важливих факторів формування мінералізації та хімічного складу поверхневих і ґрунтових вод. Найвагомішим цей фактор є в районах, де відношення сумарного випаровування до суми атмосферних опадів виявляється найбільшим, тобто в районах пустель, напівпустель і сухих степів. Під впливом випаровування в засолених поверхневих водоймах відбувається випадання солей в осад (спочатку менш, а потім більш розчинних). Води гідрокарбонатні перетворюються насамперед на сульфатні, а потім - сульфатно-хлоридні й навіть хлоридні.

Вивітрювання має суттєве значення у формуванні хімічного складу природних вод. Розрізняють фізичне, хімічне та біологічне вивітрювання гірських порід. На склад вод суттєво впливають два останні.

Завдяки спорадичному поширенню сульфідів у гірських породах сірчанокислотне вивітрювання інтенсивно виявляється місцями, у зонах сульфідного оруденіння. Особливістю вод цієї зони є сильна кислотність і високий вміст важких металів.

Біологічне вивітрювання найбільш інтенсивне там, де кількість атмосферних опадів перевищує випаровуваність, а температура досить велика.

Утворюється висока концентрація організмів, які виділяють органічні кислоти, що активно сприяють перетворенню кристалічних ґраток мінералів.

Гумусові кислоти надають воді агресивності до гірських порід.

Ґрунти збагачують воду іонами, газами, органічними речовинами. Вплив

ґрунтового покриву на формування вод подвійний: з одного боку, ґрунти можуть збільшувати мінералізацію атмосферних опадів, які фільтруються крізь них, а з іншого - змінювати хімічний склад ґрунтових вод, що вступають з ґрунтами у взаємодію. Кількісно це визначається типом ґрунтів. Якщо вода просочується крізь бідні на солі торф'янисто-тундрові чи болотні ґрунти, вона збагачується на органічні речовини і лише малою мірою - іонами. Подібне спостерігається й у підзолистих ґрунтах. Значно більшу кількість солей віддають у воду чорноземи й каштанові ґрунти. Найсильніше впливають на мінералізацію вод, які фільтруються, солончакові ґрунти.

Під час просочування води крізь ґрунт в результаті окиснення органічної речовини змінюється також і склад розчинених газів. Вміст кисню при цьому зменшується, а кількість СО2 відповідно зростає. Діоксид вуглецю, що виділяється, є джерелом утворення гідрокарбонатних іонів:

СО2 + Н2О > Н2СО3 > Н+ + HCO3

При взаємодії ґрунтових вод з ґрунтами, крім вилуговування солей, змінюється склад води внаслідок іонного обміну, процесів мінералоутворення чи заміщення мінералів, які вже є в ґрунті поряд з іншими. Інтенсивність перетворення залежить від типу ґрунту, вмісту в ньому колоїдів, здатних адсорбувати іони, а також обмінювати поглинуті іони водних розчинів. Вбирні комплекси ґрунтів розрізняються за своїм характером. Ґрунти середніх широт, наприклад, чорноземи, звичайно мають у складі вбирного комплексу на першому місці кальцій, на другому - магній. У меншій кількості присутні інші катіони. Ґрунти північних широт сильно вилужені, до вбирного комплексу поряд з натрієм, кальцієм і магнієм входять іони водню.

2. Геологічні фактори

Гірські породи є провідним фактором формування мінералізації та хімічного складу природних вод. Головними розчинними мінералами, які

переважно зумовлюють склад природних вод, є галіт NaCl, гіпс CaSO4·2H2O, кальцит СаСО3, доломіт СaMg(CO3) 2. Такі добре розчинні мінерали, як мірабіліт, астраханіт, глауберит, мають локальне поширення. Залягаючи на глибині, кам'яна сіль збагачує води на хлориди натрію. Мінералізація в цьому випадку різко підвищується

3. Фізико-хімічні фактори

Хлоридні натрієві високомінералізовані води й розсоли трапляються в багатьох районах земної кулі, їх розвиток збігається з поширенням соленосних фацій, при вилуговуванні яких вони утворюються.

Наявність у надрах гіпсомістких фацій є причиною виникнення сульфатних кальцієвих вод, мінералізація яких становить близько 2-3 г./дм3, що визначається розчинністю гіпсу. Гідрокарбонатні кальцієві води частіше утворюються при розчиненні карбонатів кальцію, досить поширених у природі (вапняки, вапняковий цемент у пісковиках, вапнякові ґрунти тощо). За відсутності діоксиду вуглецю розчинність СаСО3 в нормальних умовах становить лише 13 мг/дм3. Розчинність карбонатів лужних металів різко зростає за наявності у воді СО2, а в разі великої кількості діоксиду вуглецю розчинність

СаСО3 може перевищувати 1 г/дм3 (вуглекислі мінеральні води).

Гідрокарбонатні магнієві води є винятком серед осадочних порід, що зумовлено рідкісністю мінералів відповідного складу. Магнезіальні води утворюються шляхом вуглекислотного вивітрювання багатих на магній вивержених порід (перидити, габро, дуніти). У звичайних умовах їх мінералізація не перевищує 0,5-0,6 г/дм3. Гідрокарбонатні натрієві (содові) води (HCO3Ї > Mg2+ + Ca2+) найчастіше формуються за вивітрювання масивно-кристалічних осадочних порід, які містять натрій. Аніони HCO3Ї, виникаючи при розчиненні у воді СО2, мають здебільшого біохімічне і частково повітряне походження. Поява іонів натрію у сполученні з гідрокарбонатами спостерігається за вивітрювання натрієвих польових шпатів тощо.

Хімічні властивості елементів. Наявність у природній воді будь-якого елемента зумовлюється не тільки його загальним вмістом у породах і ґрунтах, а й міграційною здатністю. Рухливість гідратованих іонів тим більша, чим більші іонний радіус і валентність. Згідно з цим найвища міграційна здатність має бути в іонів:

NO3Ї > Cl- > SO4

2- > CO3

2-; K+ > Na+> Ca2+ > Mg2+

гідросфера вода природа екосистема

Проте залежно від характеру середовища рухливість іонів значно змінюється. Наприклад, нітрати (NO3Ї) в результаті засвоєння їх рослинами і процесів денітрифікації найчастіше повністю затримуються у процесі руху. Лише в специфічних умовах вони накопичуються у ґрунтових водах. Рухливість калію значно нижча, ніж у кальцію й магнію внаслідок поглинання його рослинами і тваринами.

Міграційна здатність елементів залежить значною мірою від рН, при якому відбувається випадання гідроксидів. Багато хімічних елементів рухливі у широкому діапазоні рН і можуть інтенсивно мігрувати як у кислому, так і в лужному середовищах (натрій, калій, цезій, літій, рубідій, фтор, бром, йод та ін.). У розбавлених розчинах осадження починається при більш високих рН.

Окисно-відновні процеси мають суттєвий вплив на міграційну здатність елементів, їх розсіювання та концентрацію. Розрізняють окиснювальні та відновлювальні умови. Всі окиснювальні умови характеризуються наявністю у водах вільного кисню атмосфери. Крім кисню, окисниками можуть бути елементи, що мають високі ступені окиснення, такі як Fe3+, Mn4+, S6+, Cu2+ та ін., а також азотна кислота та її солі, концентрована сірчана кислота, хлорна і бромна вода та інші хімічні елементи, здатні приймати електрони.

Отже, головним критерієм окиснювальних умов є наявність вільного кисню у водах. За його нестачею таким показником є тривалентне залізо.

В підземних водах на певній глибині утворюється «киснева поверхня», нижче якої вода не містить вільного кисню. Глибина залягання цієї поверхні в умовах інтенсивного та тривалого водообміну в породах, які не містять органічних речовин (нафту, вугілля тощо), досягає сотень метрів, а в окремих випадках - глибини 1 км і більше від рівня підземних вод.

У відновлювальних умовах кисню немає, а з'являються такі гази, як NH3, H2S. Важливими агентами відновних реакцій у природних водах є мікроорганізми, які розкладають органічну речовину. В умовах відновлювального середовища тривалентне залізо і чотиривалентний марганець переходять у двовалентну форму, сульфати переходять у сульфіди. Наявність у водах H2S призводить до осадження металів, які утворюють нерозчинні сульфіди, тобто PbS, ZnS, CuS, Ag2S тощо. Лужні та лужноземельні метали (Na, K, Ca, Mg) легко втрачають валентні електрони й переходять у стан позитивно заряджених катіонів, тому вони є також сильними відновниками. Вони розкладають воду, виділяючи з неї водень. Отже, одним з головних критеріїв відновлювальних умов є двовалентне залізо та відсутність кисню.

Здатність до окиснення й відновлення характеризується окисно-відновним потенціалом (Eh) атомів та іонів, що вимірюється у вольтах, стосовно стандартної окисно-відновної реакції, потенціал якої дорівнює нулю. Такою реакцією вважають перехід водню з газоподібного стану до стану іона (H2 - 2e = 2H+). Наприклад, при окисненні іон гідроксиду заліза Fe2+ переходить в Fe3+, віддаючи власний електрон. При цьому розчин гідроксиду заліза Fe3+ матиме вищий електричний потенціал, ніж розчин гідроксиду заліза Fe2+.

Eh може бути негативним або позитивним. У першому випадку це означає, що дана система є більш окиснювальною порівняно зі стандартною водневою системою, у другому - вона належить до більш відновлювальної системи, ніж стандартна.

В природних водах Eh буває від +700 до -500 мВ. Поверхневі та ґрунтові води, які містять вільний кисень, мають вужчий інтервал Eh - від +150 до +700 мВ. Тріщинно-ґрунтові води вивержених порід на глибині 250-300 м мають Eh більше за 0. Підземні води нафтових родовищ мають Eh значно нижче за 0 (до -500 мВ). За таких умов розвиваються процеси відновлювання

Fe3+, SO4

2 - та ін.

4. Біологічні фактори

До цих факторів належать життєдіяльність рослин і тваринних організмів. Вони зумовлюють біогенну метаморфізацію природних вод, збагачують у деяких випадках води на мікрокомпоненти. Вибіркова здатність рослин накопичувати хімічні елементи полягає в тому, що окремі види рослин вбирають з розчину і накопичують у своїх тканинах надзвичайну кількість хімічних елементів.

Серед рослин є так звана група фреатофітів, найбільш пов'язана з ґрунтовими водами. До неї належать осока, очерет, а також ціла низка видів деревної рослинності й кущів. Усі види фреатофітів мають добре розвинену кореневу систему, яка заглиблюється до 20-30 м.

До групи фреатофітів належать соленакопичувальні види рослин - галофіти, які мають здатність накопичення іонів натрію і хлору. Якщо, наприклад, кермек і полин ростуть на одному й тому ж ґрунті, то кермек вбирає переважно сульфати, а полин - хлориди.

Рослинність впливає на характер ґрунтових реакцій. Так, хвойні ліси сприяють збільшенню кислотності завдяки кислим властивостям їх органічних залишків (рН водної витяжки з хвої дорівнює 4). Трав'яниста рослинність, навпаки, сприяє накопиченню основ у ґрунтових розчинах.

Водні рослини змінюють газовий та хімічний склад водойм.

У процесі фотосинтезу води збагачуються киснем, зменшується і концентрація СО2, який поглинається при цьому. Крім того, таким чином у водоймах створюється органічна речовина (первинна продукція):

CO2 + 2H2O + 470 кДж хлорофіл

світло СH2O + O2 + H2O (2.9)

У цьому рівнянні СН2О символізує вуглеводи. В цілому ж фотосинтез - досить складний багатоступінчастий процес, який включає сукупність фотохімічних і біохімічних процесів.

Отже, в результаті життєдіяльності рослин водойми збагачуються на органічну речовину, необхідну для життєдіяльності тваринних організмів.

Крім того, акумулюється хімічна енергія, яка створює умови для протікання багатьох хімічних реакцій. Мікроорганізми, особливо важливі в процесах метаморфізації хімічного складу природних вод, розвиваються як у поверхневих, так і в підземних водах, що залягають на глибині 1000 м і більше, при температурі від кількох градусів нижче нуля до 85-90°С. Діапазон мінералізації вод, придатних для мікроорганізмів, також широкий - галофільні бактерії існують в солоних водах. Однак високі мінералізація і температура пригнічують діяльність бактерій.

Бактерії бувають аеробні та анаеробні. Перші живуть і розвиваються лише за наявності вільного кисню, який використовується для дихання, другі - в разі його нестачі, а необхідний для них кисень беруть з органічних сполук (наприклад, вуглеводів) чи з мінеральних солей - нітритів, сульфатів тощо.

Аеробні умови характерні для поверхневих вод суші, для річкових і озерних водойм і неглибоких морів. Анаеробна бактеріальна діяльність трапляється в застійних водних басейнах - болотах, лиманах, на дні глибоких морів і в товщі осадочних порід нижче зони аерації.

В поверхневих і підземних водах виявлено різні групи бактерій: десульфуючі, сульфатредукувальні бактерії, амоніфікатори, денітрифікатори й багато інших. Десульфуючі бактерії належать до числа анаеробних організмів і сприяють відновленню сульфатів та утворенню сірководню.

Десульфування приводить до того, що з води зникають сульфатні іони, з'являються H2S i CO2, змінюється хімічний тип води:

C6H12O6 + 3Na2SO4 > 3 CO2 + 3Na2CO3 + 3H2S + H2O + Q (2.10)

Десульфування сульфатних натрієвих вод сприяє утворенню карбонатних натрієвих (содових вод).

У поверхневих водах можуть протікати процеси, в результаті яких H2S окиснюється до S2 сіркобактеріями:

2H2S + O2 > S2 + 2H2O; (2.11)

S2 + 3O2 + 2H2O > 2H2SO4. (2.12)

Амоніфікатори - бактерії, які спричиняють виникнення аміаку за рахунок розкладу органічних речовин, що містять у своєму складі білок.

Нітрифікатори окиснюють аміак до нітритів і нітратів.

Денітрифікатори розкладають нітрити і нітрати з виділенням вільного азоту:

2HN3 > 2HNO2 > 2HNO > N2^. (2.13)

Впливають на хімічний склад природних вод і залізобактерії. Вони здатні відкладати гідроксид заліза (гідрогель) Fe2 (OH) 6:

2FeCO3 + 3H2O + 1/2 O2 > Fe3 (OH) 6 + 2CO2 +Q (2.14)

Залізобактерії здатні відкладати і марганець. Мають найбільшу активність у холодних водах (5-10°С), інколи утворюють великі скупчення.

В процесі життєдіяльності мікроорганізми впливають на газовий режим водойм і хімічний склад води. При диханні мікроорганізмів поглинається кисень і виділяється діоксид вуглецю:

C6H12O6 + 6CO2 > 6CO2 + 6H2O + 2820 кДж (2.15)

Це рівняння характеризує загальний баланс речовин при диханні. На противагу від фотосинтезу даний процес супроводжується утворенням молекул води. Мікроорганізми розкладають у водоймах залишки відмерлих рослинних і тваринних організмів. Такий процес може закінчуватися повним розкладом органічних речовин з утворенням простих мінеральних сполук (СО2, Н2О, СН4 тощо). Ця діяльність мікроорганізмів важлива для природного очищення вод (процесів самоочищення).

Крім того, мікроорганізми вилучають з води різні хімічні елементи (N, P, K, C, Ca, мікроелементи).

5. Антропогенні фактори

До них належать усі фактори, які впливають на формування складу вод внаслідок діяльності людини. Антропогенні фактори ще називають техногенними. За характером дії вони поділяються на хімічні й фізичні. Хімічний вплив - це находження до водних об'єктів речовин зі стічними водами, з атмосфери, а також з інших джерел, що змінює природний хімічний склад вод.

Фізичний вплив - це зміни фізичних параметрів. Обидва впливи називають антропогенним забрудненням, а речовини, які надходять при цьому, - забруднювальними. Загальним для них є способи проникнення у водні об'єкти: пряме чи розсіяне скидання стічних вод (і твердих відходів) промисловості, житлово-комунального і сільського господарства; надходження з атмосфери; при експлуатації суден; з донних відкладів тощо.

У результаті антропогенного впливу в природні води потрапляють як іони, подібні до тих, що звичайно входять до складу незабруднених вод (хлориди, сульфати, натрій тощо), так і компоненти, які в природних водах не спостерігаються (пестициди, синтетичні поверхнево-активні речовини, деякі важкі метали). Поширення забруднювальних речовин у прісноводних екосистемах має певні закономірності (рис. 2.1).

Отже, антропогенні фактори можуть спричиняти зростання (або зниження) концентрації у природних водах компонентів, присутніх у незабруднених водах; зміни спрямованості природних гідрохімічних процесів; збагачення природних вод сторонніми речовинами.

Наприклад, зміни у спрямованості гідрохімічних процесів можуть виникати через нафтову плівку, яка утворилася внаслідок аварійних скидів із суден на межі поділу повітря - вода, оскільки вона значною мірою зумовлює хімічний і біологічний цикли, зокрема стан карбонатної системи. Це також впливає на фізичні характеристики - перенесення кисню, проникнення світла, випаровування. Крім того, речовини, які містяться у плівці, можуть бути центрами комплексоутворення з металами. При розтіканні плівки нафти поверхнею води вона утворює мультимолекулярний шар, який здатний вкрити великі поверхні. Приблизно 15 т мазуту протягом 6-7 діб розтікається і вкриває поверхню близько 20 км².

Сторонніми природним водам сполуками й елементами, які надходять внаслідок антропогенного впливу, вважають пестициди, синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР), деякі органічні сполуки, окремі важкі метали. Виявлено, що у природі води потрапляє більш ніж 30 мікроелементів за рахунок господарської діяльності. Найбільшу рухливість мають елементи групи молібдену, селену, урану й ванадію, якщо вони містяться у вигляді оксидів. Рухливість залежить від рН. Наприклад, у кислому середовищі висока рухливість характерна для Mo, V, U, Se, Sr, Zn, Cu, Ni, Hg, As, Cd та ін., у лужному й нейтральному - Mg, F, Sr, Ra. Слід зазначити, що у нейтральному середовищі дуже низька рухливість у таких елементів, як Al, Ti, Sn, Ag, Te, Cr, Zn, Cu, Co, Ni, Hg. Мікроелементи природного й антропогенного походження змішуються, тому виникають труднощі при визначенні їх за генезисом у валовому вмісті мікроелементів у воді.



Висновок

гідросфера вода природа екосистема

Мій висновок, полягає у узагальненому описі хімічного складу води.

Отже, хімічно чиста вода в природі майже не зустрічається, можна її одержати тільки лабораторним шляхом. Така вода не має запаху і кольору, приємна на смак. Природна вода є гарним розчинником і тому завжди містить у собі завислі й розчинені речовини. Залежно від розмірів часток розчинених речовин розчини бувають: молекулярно-іонними (розміри не перевищують 10-7 мм), колоїдними (розміри від у 10-7 до 10-5 мм). У природних водах колоїди зустрічаються дуже часто, але в малих кількостях. Частки речовин розміром більше 10-5 мм називаються суспензіями або зависями. Вони видимі простим оком і бувають як органічного, так і неорганічного походження.

Хімічний склад води - сукупність розчинених у природній воді мінеральних і органічних речовин в іонному, молекулярному та колоїдному стані.

У хімічному складі природних вод виділяють такі групи:

Головні іони, або макроелементи: аніони (негативно заряджені іони) - хлоридний (Cl-), сульфатний (SO42-), гідрокарбонатний (НСО3-), карбонатний (СО22-); катіони (позитивно заряджені іони): натрію (Na+), калію (К+), магнію (Mg2+), кальцію (Са2+). Вміст кожного з цих іонів у природних водах не знижується нижче 1 мг/дм3, тому вони утворюють групу макроелементів і за своїм домінуванням у хімічному складі води класифікуються як головні іони. Сумарний вміст у воді розчинених солей характеризується мінералізацією М (мг/дм3), або солоністюS (г/кг, ‰). У проміле показують переважно солоність морської води і становить вона в середньому 35 ‰ (35 г./кг). Отже, проміле - одна тисячна частина якої-небудь речовини. Мінералізація поверхневих вод - сумарний вміст усіх виявлених при хімічному аналізі поверхневих вод розчинених мінеральних речовини. Такий вміст виражають у мг/дм3, г/дм3.

Відомий геохімік В. Вернадськийза величиною мінералізації поділив природні води на такі групи:

прісні води з мінералізацією до 1г/дм3;

солоні води з мінералізацією від 1 до 50 г./дм3;

розсоли з мінералізацією до 50 г./дм3і більше.

Головні іони, або макроелементи: аніони (негативно заряджені іони) - хлоридний (Cl-), сульфатний (SO42-), гідрокарбонатний (НСО3-), карбонатний (СО22-); катіони (позитивно заряджені іони): натрію (Na+), калію (К+), магнію (Mg2+), кальцію (Са2+). Вміст кожного з цих іонів у природних водах не знижується нижче 1 мг/дм3, тому вони утворюють групу макроелементів і за своїм домінуванням у хімічному складі води класифікуються як головні іони. Сумарний вміст у воді розчинених солей характеризується мінералізацією М (мг/дм3), або солоністюS (г/кг, ‰). У проміле показують переважно солоність морської води і становить вона в середньому 35 ‰ (35 г./кг). Отже, проміле - одна тисячна частина якої-небудь речовини.

Мінералізація поверхневих вод - сумарний вміст усіх виявлених при хімічному аналізі поверхневих вод розчинених мінеральних речовини. Такий вміст виражають у мг/дм3, г/дм3.

Відомий геохімік В. Вернадськийза величиною мінералізації поділив природні води на такі групи:

прісні води з мінералізацією до 1г/дм3;

солоні води з мінералізацією від 1 до 50 г./дм3;

розсоли з мінералізацією до 50 г./дм3і більше.

Класифікація природних вод за величиною мінералізації

Ступінь мінералізації

Вміст солей, г/дм3

Прісні

до 1

Солонуваті

1-25

Солоні (морської солоності)

25-50

Розсоли понад 50

У гідрохімічній класифікації О.А. Алекін поділяє природні води за домінуючим аніоном на 3 класи: гідрокарбонатні (НCO3?) й карбонатні (CO3?); сульфатні (SO42?) та хлоридні (Cl?).

Кожен клас поділяється за домінуючим катіоном на три групи: кальцієву, магнієву і натрієву, а кожна група - на чотири типи води. Кожний тип води визначається співвідношенням між іонами в еквівалентних концентраціях.

Перший тип характеризується співвідношенням:

HCO3 - ?Ca2++ Mg2+.

Формування цього типу води відбувається внаслідок хімічного вивітрювання вивержених порід або за умов іонного обміну в ґрунтово-підґрунтовій товщі Са2+і Мg2+на Na+. Цим водам властива невисока мінералізація, виняток складають води безстічних озер.

Другий типмає таке співвідношення

HCO3-<Ca2++ Mg2+<HCO3-+ SO42 -.

Генетично склад цих вод пов'язаний з осадовими породами і продуктами вивітрювання корінних порід. Такі води характерні для річок, озер і підземних вод і мають невисоку, помірну мінералізацію.

Третій тип має таке співвідношення:

HCO3-+ SO42-<Ca2+ + Mg2+або CI - >Na+.



Склад таких вод є продуктом процесів метаморфізації. Цей тип властивий водам морів, океанів, солоних озер з підвищеною і високою мінералізацією.

Четвертий тип має таке співвідношення:

HCO3-= 0.

До IV типу вод, що характеризується відсутністю НСО3-, належать кислі води - болотні, шахтні, вулканічні або води, що дуже забруднені промисловими стічними водами.

Річкові води переважно відносяться до гідрокарбонатного класу і кальцієвої групи; підземні води - до сульфатного класу і магнієвої групи; води океанів і морів - до хлоридного класу і натрієвої групи.

У Київському національному університеті ім. Тараса Шевченкарозроблена класифікація мінералізації поверхневих вод з урахуванням практичної та екологічної вимоги при використанні води (г/дм3): дуже прісні - до 0.1; помірно-прісні - 0.1-0.6; прісні з підвищеною мінералізацією - 0.6-1.0; слобосолоні - 1.0-3.0; середньосолоні - 3-15; солоні - 15-35; сильносолоні - 35-50; розсоли понад 50.

Мінералізація річкових вод України збільшується від 0.3 г./дм3на північному заході до 3.5 г./дм3на південному сході. В такому ж напрямку збільшується і мінералізація озерних вод. Різке підвищення мінералізації поверхневих вод може свідчити про забруднення водного об'єкта стічними водами або шахтними водами.

Жорсткість (твердість) - властивість природної води, зумовлена наявністю у ній розчинених солей кальцію та магнію, які вимиваються з гірських порід (вапняків, доломітів). Розрізняютькальцієву жорсткість, спричинену солями і кислотами кальцію, імагнієву - солями і кислотами магнію.

Жорсткість води поділяють на карбонатну жорсткість - концентрація у воді гідрокарбонатних (і карбонатних при рН понад 8.3) солей кальцію і магнію танекарбонатну жорсткість - концентрація у воді кальцієвих і магнієвих солей сильних кислот. Жорсткість води у гідрохімії виражають у мілімолях кількості речовини - еквівалента кальцію і магнію в 1 дм3води: 1 ммоль/дм3. Жорсткість води відповідає 20.04 мг Са2+/дм3або 12.16 мг Mg2+/дм3. Залежно від загальної жорсткості розрізняють воду: м'яку - менше 4 ммоль/дм3, середньої жорсткості - 4-8 ммоль/дм3, жорстку - 8-12 ммоль/дм3, дуже жорстку - більше 12 ммоль/дм3

Жорсткість природних вод коливається у широких межах, змінюючись за сезонами року. В поверхневих водах жорсткість, як і мінералізація, найбільших значень досягає взимку, найменших - у період весняної повені. У поверхневих водах переважає карбонатна жорсткість води (70-80% від загальної). Жорсткість підземних вод, особливо артезіанських, протягом року змінюється меншою мірою. Загальна жорсткість питної води допускається до 7.0 ммоль/дм3.

Біогенні речовини: сполуки азоту N, фосфору Р, заліза Fe, кремнію Si. Це перш за все нітрати (NO3-), нітрити (NO2-), амоній (NH4+), фосфати (РО43-). Ці речовини потрапляють у природні води головним чином при розкладанні тваринних і рослинних організмів, життєдіяльність яких протікає у водному середовищі, з атмосфери, ґрунту та при скиданні у водні об'єкти побутових, промислових і сільськогосподарських вод. Концентрація біогенних речовин у воді незначна (від тисячних до десятих долей міліграм в 1 м³), але саме ці елементи визначають рівень біопродуктивності водних об'єктів і таким чином обумовлюють якість їх води. Надмірне надходження біогенних елементів у водні екосистеми з комунально-господарськими, сільськогосподарськими і промисловими стічними водами спричиняє їхню евтрофікацію, «цвітіння води» та погіршує її якість.

Органічні речовини: комплекс розчинених і колоїдних сполук, загальний вміст яких визначається за органічним вуглецем (С орг.), або за посередніми характеристиками: забарвленістю, окисністю біохроматною і перманганатною. Органічні речовини представлені різноманітним спектром - від складних високомолекулярних сполук (гумусові речовини, білки, полісахариди та ін.) до найпростіших (вільні амінокислоти, нижчі жирні кислоти, аміни, метан, формальдегід тощо). Вміст органічного вуглецю в поверхневих водах коливається в широких межах. Найменша його концентрація (близько 1 мг/дм3) характерна для незабруднених вод, найбільша зазвичай не перевищує 10-20 мг/дм3, проте в болотних водах досягає кількох сотень мг/дм3.

Наявність у воді високих концентрацій органічних речовин зумовлює погіршення стану кисневого режиму і виникнення дефіциту розчиненого у воді кисню, оскільки зростають його витрати на окиснення.

Велике значення для біохімічних, біологічних та інших процесів, які відбуваються в материкових і океанічних водах, мають розчинені у воді гази. Розчинні гази - сукупність газів, що містяться у природних водах у розчиненому стані: кисень (О2), діоксид вуглецю (СО2), сірководень (Н2S), метан (СН4), азот (N2).

Кисеньу водах річок і прісних озер присутній повсюдно. У верхніх шарах його більше, ближче до дна його кількість зменшується. Природні води збагачуються на кисень за рахунок надходження його з атмосфери, в результаті виділення водною рослинністю в процесі фотосинтезу. Втрачається кисень на окислення органічних речовин та у результаті виділення його в атмосферу. На практиці часто використовують відносну характеристику вмісту у воді розчинених газів - відсоток насичення А, який дорівнюєА = (Ф/Р) х 100, де Ф - фактичний вміст газу, Р - його рівноважна концентрація у воді при даній температурі.

Якщо фактичний вміст газу у поверхневому шарі води більший за рівноважну концентрацію і величина А>100%, то відбувається виділення газу в атмосферу. Якщо ж вода не насичена газом і А<100%, то відбувається поглинання водою газу з атмосфери. У континентальних водоймах насиченість води киснем знижується влітку, що зумовлено зменшенням його поглинання з повітря та витрачанням на окислення органічних речовин. Взимку, коли кисень витрачається на окиснення відмерлих і дихання живих організмів, а надходження з повітря різко обмежене льодовим покривом, його дефіцит може досягати критичного рівня.

Діоксид вуглецюприсутній у всіх природних водах у вигляді розчинених молекул газу СО2і вугільної кислоти Н2СО3. Діоксид вуглецю у водне середовище надходить з атмосфери, при окисленні органічних речовин і виділяється з гірських порід. Кількість діоксину вуглецю у поверхневих водах може не перевищувати одиниць мг/дм3, у підземних водах його вміст досягає кількох десятків мг/дм3, а в мінеральних водах - сотень і тисяч мг/дм3. При перенасиченні води СО2 він виділяється в атмосферу, а також іде на засвоєння рослинними організмами при фотосинтезі. Найменше його в поверхневих водах через постійне вирівнювання з атмосферою. Найвищий вміст діоксиду вуглецю - в період льодоставу.

Сірководень (сірчистий водень) - безбарвний газ із характерним різким запахом, важчий за повітря. У водах утворюється внаслідок розпаду органічних сполук, розчинення мінеральних солей мінералів (гіпсу, сірчаного колчедану). Сірководень зустрічається в поверхневих водах переважно в придонних шарах, добре відомий у водах Чорного моря. У підземних водах цей газ зустрічається досить часто, особливо багато його у вулканічних областях і у водах нафтогазових родовищ, де вміст його може досягати 1000-2000 мг/дм3.

Вміст азоту у водних екосистемах пов'язаний з утилізацією атмосферного азоту та надходженням з водозбірної площі легкорозчинних у воді мінеральних форм азоту - нітритних, нітратних та амонійних іонів. Азот виділяється і розчиняється у воді при деструкції органічних речовин, які можуть надходити ззовні або за рахунок відмерлих гідробіонтів. Метану проточних природних водах знаходиться у невеликих кількостях. Проте метан добре відомий у болотних водах (болотний газ), у водах озер та інших водоймах у придонних шарах. Зустрічається метан переважно в підземних водах на значних глибинах.

Інертні (благородні) гази (гелій, аргон, неон, криптон і ксенон), будучи хімічно пасивними, зустрічаються переважно у підземних водах як домішок інших газів.

Стан іонної рівноваги природних вод характеризує водневий показник, який виражається величиною рН, яка означає десятковий логарифм концентрації іонів водню (у грам-молях на дециметр кубічний, гмоль/дм3), взятий зі зворотним знаком: рН = - log ?Н+?.

Для нейтральних розчинівзначення рН = 7, кислих - рН <7, лужних - рН> 7. За О. Алекіним більшість річкових вод значення рН становить 6.5-8.5, у болотних водах - 4.5-6.0, у підземних вода 5.5-7.2, у річках та озерах 6.8-8.5, у воді океану - 7.9-8.3, у воді солоних озер - понад 8.5.

Поверхневим водам України властивий значний інтервал рН - від 5,5 до 9,7. Кислу реакцію води (рН 5,5-7,0) мають водойми та річки заболочених масивів Полісся. У воді р. Прип'ять водневий показник становить 6.8-8.3, у водосховищах Дніпра

Мікроелементи - речовини, які знаходяться в природних водах у дуже малих концентраціях (менше 1 мг/дм3). Серед них виділяють: бром (В), йод (І), фтор (F), літій (Li), барій (Ва); важкі метали: залізо (Fe), нікель (Ni), цинк (Zn), кобальт (Со), мідь (Сu), кадмій (Cd), свинець (Рb), ртуть (Hg) та ін.; радіоактивні елементи як природного (калій 40 К, рубідій 87 Rb, уран 238 U, радій 226 Ra та ін.), так і антропогенного (стронцій 90 Sr, цезій 137 Cs та ін.) походження.

В.К. Хільчевський [9] запропонував в окрему групу виділяти радіоактивні елементи, заважаючи на те, що вони специфічно впливають на живі організми В особливу категорію сполук, що утримуються у воді, виділяють забруднюючі речовини - це органічні речовини (нафтопродукти, феноли та ін.), ядохімікати (пестициди, гербіциди), добрива, миючі засоби (детергенти), деякі мікроелементи (дуже токсичні важкі метали - ртуть, свинець і кадмій), радіоактивні речовини. Більша частинка забруднюючих речовин має антропогенне походження, але існують і природні джерела забруднення природних вод.

Размещено на Allbest.ru