Чистая вода — дело техники!

ХИМИЯ ВОДЫ

Водородный показатель рН

Содержание ионов водорода (точнее катионов гидроксония) в природных водах определяется, как правило, количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов.

               CO₂ + H₂O ↔ H⁺ + HCO₃^- ↔ 2H⁺ + CO₃^2-

Для удобства выражения содержания водородных ионов была используется величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:

                pH = - lg[H⁺].

Для поверхностных вод, содержащих небольшие количества диоксида углерода, характерна щелочная реакция. Изменения pH тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления CO₂ водной растительностью). Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в почвах. Гидролиз солей тяжелых металлов играет роль в тех случаях, когда в воду попадают значительные количества сульфатов железа, алюминия, меди и других металлов:

               Fe²⁺ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + 2H⁺

Значение pH воды - один из важнейших показателей качества вод. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ. В открытом водоеме можно выделить несколько этапов процесса их закисления:

• на первом этапе рН практически не меняется (ионы бикарбоната успевают полностью нейтрализовать ионы Н⁺). Так продолжается до тех пор, пока общая щелочность в водоеме не упадет примерно в 10 раз до величины менее 0,1 моль/дм³.
• на второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года. О таких водоемах говорят как об умеренно кислых. На этом этапе закисления происходят значительных изменения в видовом составе живых организмов.
• на третьем этапе закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН<5 (обычно рН=4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвенном слое.

Значение pH в речных водах обычно изменяется в пределах 6,5-8,5: в атмосферных осадках 4,6-6,1, в болотах 5,5-6,0, в морских водах 7,9-8,3. При этом нонцентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина pH для большинства речных вод составляет 6,8-7,4, летом 7,4-8,2. pH природных в некоторой степени  вод определяется геологией водосборного бассейна [31]. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6,5-8,5 [17].

Природные воды в зависимости от значения рН рационально делить на семь групп [24]:

Окислительно-восстановительный потенциал (E_h) - Red-Ox-потенциал

Мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Значения окислительно-восстановительных потенциалов выражаются в вольтах (милливольтах). Окислительно-восстановительный потенциал любой обратимой системы определяется по формуле

               E_h = E₀ + (0,0581/n) lg(Ox/Red)       при t = 20°С

        где E_h    — окислительно-восстановительный потенциал среды;
              E₀    — нормальный окислительно-восстановительный потенциал, при  котором концентрации окисленной и восстановленной форм равны между собой;
             Ox     — концентрация окисленной формы;
             Red  — концентрация восстановленной формы;
             n      — число электронов, принимающих участие в процессе.

В природной воде значение E_h колеблятся от — 400 до + 700 мВ, определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов и в условиях равновесия характеризует среду сразу относительно всех элементов, имеющих переменную валентность.Изучение редокс-потенциала позволяет выявить природные среды, в которых возможно существование химических элементов с переменной валентностью в определенной форме, а также выделить условия, при которых возможна миграция металлов [31], [35]. Различают несколько основных типов геохимических обстановок в природных водах [13]:

• окислительную - характеризуемую значениями Е_h > + (100 - 150) мВ, присутствием свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe³⁺, Mo⁶⁺, As^5-, V⁵⁺, U⁶⁺, Sr⁴⁺, Cu²⁺, Pb²⁺);
• переходную окислительно-восстановительную - определяемую величинами Еh + (100-0) мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов;
• восстановительную - характеризуемую значениями Е_h < 0. В подземных водах присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe²⁺, Mn²⁺, Mo⁴⁺, V⁴⁺, U⁴⁺), а также сероводород.

Величина Rеd-Ox потенциала воды (Е_h) и значение рН взаимосвязаны.

Кислотность

Кислотностью называют содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с гидроксил-ионами. Расход гидроксида отражает общую кислотность воды. В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода. Естественную часть кислотности создают также гуминовые и другие слабые органические кислоты и катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований). В этих случаях pH воды не бывает ниже 4,5.

В загрязненных водоемах может содержаться большое количество сильных кислот или их солей за счет сброса промышленных сточных вод. В этих случаях pH может быть ниже 4,5. Часть общей кислотности, снижающей pH до величин < 4,5, называется свободной.

Щелочность

Под щелочностью природных или очищенных вод понимают способность некоторых их компонентов связывать эквивалентное количество сильных кислот. Щелочность обусловлена наличием в воде анионов слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов) - их сумма называется общей щелочностью. Ввиду незначительной концентрации трех последних ионов общая щелочность воды обычно определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность). Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксильные ионы:

               CO₃^2- + H₂O ↔ HCO₃^- + OH^-;

               HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-.

Щелочность определяется количеством сильной кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм³ воды. Щелочность большинства природных вод определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, pH этих вод не превышает 8,3. Определение щелочности полезно при дозировании химических веществ, необходимых при обработке вод для водоснабжения, а также при реагентной очистке некоторых сточных вод. Определение щелочности при избыточных концентрациях щелочноземельных металлов важно при установлении пригодности воды для ирригации. Вместе со значениями рН щелочность воды служит для расчета содержания карбонатов и баланса угольной кислоты в воде [14], [31].

Степень насыщения кислородом

Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания. Зависит от температуры воды, атмосферного давления и солености. Вычисляется по формуле

               M = (А×101308×100)/N×P ,

где          М —      степень насыщения воды кислородом, %; 
               А —      концентрация кислорода, мг/дм³;
               Р —      атмосферное давление в данной местности, Па.
               N —      нормальная концентрация кислорода при данной температуре, минерализации (солености) и общем давлении 101308 Па [14].