Химический состав, классификация и некоторые особенности природных вод

На планете есть большое количество воды, из которой 97,4 % по массе составляют морские и океанские воды. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой. Однако никогда и нигде вода в природе не бывает чистой из-за того, что она является наилучшим природным растворителем. При контакте с водой растворяются прежде всего твёрдые вещества – породы, минералы, соли. Вода растворяет также газы, что выходят из глубины Земли (СО₂, H₂S, CH₄ и др.), а в контакте с атмосферным воздухом в водах растворяются О₂, СО₂, N₂ и т.д. Большое значение при этом имеет растворённая угольная кислота, которая при взаимодействии с карбонатсодержащими минералами переводит их в хорошо растворимые гидрокарбонаты. Кроме того, в природных водах всегда есть значительное количество органических веществ – продуктов жизнедеятельности и разложения водных организмов (гидробионтов).

Большое разнообразие качественного и количественного химического состава природных вод не дает возможности классифицировать их по какому-либо одному признаку. С точки зрения аналитической химии наиболее приемлемой является классификация по содержанию основных солевых компонентов, которые составляют так называемую матрицу объекта анализа. Химический состав матрицы в большом количестве случаев является одним из важных факторов, который нужно иметь в виду при выборе метода анализа, подготовки пробы к анализу и выполнения аналитических операций.

Количественный состав матрицы природных вод характеризуется суммой солевых компонентов (главных ионов). Она создаёт так называемую минерализацию воды, которая выражается через Σ_i (г/кг). По величине минерализации природные воды подразделяются на 4 группы:

Таблица 1

Подразделения вод согласно минерализации

Воды	Минерализация Σi г/кг
Пресные Солоноватые Морские Рассолы (рапы)	≤ 1,0 1 - 25 25 – 50 > 50

Качественный состав матрицы природных вод можно характеризовать соотношением шести главных ионов, которые могут присутствовать в количестве 12,5 % - экв. Такими ионами являются: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2- и HCO₃ + CO₃^2-. По преобладающему содержанию ионов природные воды делятся на 3 класса: гидрокарбонатные и карбонатные (HCO₃ + CO₃^2-), сульфатные (SO₄^2-) и хлоридные (Cl^-). В свою очередь, каждый класс по преобладающему наличию катионов делится на 3 группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Так, поверхностные воды Украины являются в основном гидрокарбонатно-кальциевыми, морские воды – хлоридонатриевые, а некоторые колодезные воды – сульфатно-магниевые («гирка вода») и т.д.

Особое внимание на качественный и количественный состав матрицы (главных ионов) природных вод необходимо обращать при их концентрировании и при определении некоторых химических ингредиентов, в частности, микрокомпонентов. Например, при выпаривании гидрокарбонатно-кальциевых вод может образоваться осадок Са СО₃, на котором способны адсорбироваться много органических соединений и ионов металлов. При определении органического углерода в хлоридных водах окислением бихроматом необходимо создать условия для предотвращения окисления хлорид - ионов; при фотометрическом определении ионов аммония реактивом Неслера в сульфатно-натриевых водах необходимо предотвратить образование малорастворимого гидроксида Mg и т.д.

Химические ингредиенты природных вод делятся на 5 основных групп:

1. Растворенные газы – О₂, СО₂, Н₂S, СН₄ и т. д.

2. Главные ионы (солевые компоненты) – НСО₃, СО₃^2-, Cl^-, SO₄^2-, Na⁺, + K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺.

3. Биогенные элементы – NH₄⁺, NO₂^-,NO^-₃, азот органический (Nорг), орто и натрофосфаты, фосфор органический (Рорг), ортосиликаты, Fe (II, III).

4. Микроэлементы – Mn, Cn, Zn, CO, MO (биометаллы), Ni, Cr, Cd, Pb, Hg, F и др. компоненты (неорганические промышленные загрязнители)

5. Органические вещества – углерод органический (Сорг), белки, амины, аминокислоты, карбонаты и оксикарбонатовые кислоты, сложные эфиры, углеводы, жиры, карбонильные соединения природного и антропогенного происхождения.

Эти ингредиенты могут содержаться в природных водах в виде взвесей, коллоидных и растворенных форм. В свою очередь, растворенные ингредиенты могут быть в виде молекул (О₂, СО₂, Н₂S, спирты, альдегиды и т.п.) и ионов (NO^-₃ НСО₃^-, SO₄^2- некомплексованные и комплексные ионы металлов и т.д.)

Различные фазовые и молекулярно- и ионодисперсные состояния химических ингредиентов в природных водах следует учитывать при выполнении аналитических операций, особенно при отборе пробы и ее подготовке к анализу.

Наличие значительного количества химических ингредиентов обусловливает определенные физические, физико-химические, биологические и органолептические свойства природных вод. Эти свойства также являются показателями качества воды. Среди них важнейшими являются заданная плотность (густота) воды, ее прозрачность, цветность, вкус, запах, рН, окислительно-восстановительный потенциал (E_h), электропроводность и пятисуточное биохимическое употребление кислорода (БУКs).

Исходя из физико-географических условий формирования химического состава природных вод их можно разделить на поверхностные воды суши (речки, озера, водохранилища, пруды), подземные воды (артезианские и минеральные), морские и океанские воды и атмосферные осадки.