ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05. Учебное пособие Физикохимические процессы в гидросфере

• Название: Учебное пособие Физикохимические процессы в гидросфере
• Анкор: ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05.doc
• Дата: 26.09.2017
• Размер: 31.55 Mb.
• Имя файла: ПособФХпроцЧ.2ГидросфХОС05.doc
• Тип: Учебное пособие; #8961
• страница: 2 из 18

2. Способы классификации природных вод

Один из самых распространенных способов классификации основан на различиях в общем количестве растворенных неорганических и частично растворенных органических веществ, содержащихся в природных водах. Общее количество растворенных веществ – минерализацию воды– принято определять по массе сухого остатка предварительно отфильтрованной и выпаренной пробы после вы­сушивания до постоянной массы при температуре 105°С. В насто­ящее время по величине минерализации природные воды принято делить на восемь видов, или классов (таблицы 3).

Таблица 3. Классификация природных вод по значению минерализации

Минерализация, г/л	Наименование вод
Менее 0,2	Улътрапресные
0,2-0,5	Пресные
0,5-1,0	С относительно повышенной минерализацией
1-3	Солоноватые
3-10	Соленые
10-35	С повышенной соленостью
35-50	Переходные к рассолам
50-400	Рассолы

Хорошая питьевая вода содержит не более 0,5 г/л солей. Но в некоторых районах для питья используют и воды, содержащие 1-3 г/л растворенных солей. Соленые воды с общей минерализацией 3-10 г/л пригодны только для некоторых видов домашних животных (овец, верблюдов). Ультрапресные воды обладают способностью выводить соединения кальция из организма человека, поэтому к их использованию для питья следует подходить с осторожностью.

На различии преобладающих анионов и катионов основана классификация природных вод, предложенная О.А. Алекиным и названная его именем. В соответствии с этой классификацией все воды делятся по преобладающему аниону на три больших класса: карбонатные; сульфатные; хлоридные (рисунок 1). Класс гидрокарбонатных вод объединяет пресные и ультрапресные воды рек, озер и включает значительное количество подземных вод. Класс хлоридных вод объединяет воды морей, лиманов и подземные воды солончаковых районов. Сульфатные воды по распространению и минерализации занимают промежуточное положение между хлоридными и карбонатными водами.


Рис. 1. Классификация природных вод по О.А. Алекину
Каждый класс подразделяют на три группы по преобладающе­му катиону (кальциевая, магниевая и натриевая группы).

Группы в свою очередь делятся на типы в соответствии с коли­чественными характеристиками ионов и катионов. Так, к первому типу относятся воды, в которых концентрация анионов НСО, вы­раженная в ммоль-экв./л, больше, чем суммарная концентрация катионов кальция и магния:

[НСО] > [Са²⁺]+[Mg²⁺]

Воды этого типа слабо минерализованы, для них характерен избыток гидрокарбонат-ионов.

Воды второго типа характеризуются более высокой суммарной концентрацией гидрокарбонат- и сульфат-ионов, превышающей суммарную концентрацию катионов кальция и магния, которая в то же время является более высокой, чем концентрация одного гидрокарбонат-иона:

[НСО]+[SO]> [Са²⁺] + [Mg²⁺] > [HCO]

К этому типу вод относятся подземные воды, а также воды рек и озер малой и средней минерализации.

Для воды третьего типа характерна более высокая концентрация ионов хлора по сравнению с ионами натрия и, следовательно, суммарная концентрация катионов кальция и магния, превышающая суммарную концентрацию гидрокарбонат- и сульфат-ионов:

[Сl^–] > [Na⁺] или [Са²⁺] + [Mg²⁺] > [НСО] + [SO]

Воды этого типа обычно сильно минерализованы.

Четвертый тип вод характеризуется отсутствием гидрокарбонат-ионов. Воды этого типа являются кислыми и имеются только в классах хлоридных и сульфатных вод.

Классификация О.А. Алекина, хотя и получила распространение, является далеко не единственной системой, учитывающей химический состав природных растворов, и не лишена существенных недостатков. Так, например, в ней не учитывается присутствие в природных водах растворимых органических соединений, общая концентрация которых в воде рек и озер иногда достигает 100 мг/л. В основном это гумусовые кислоты и их соли (продукты микробиологическо­го разложения растительных и животных остатков), углеводороды, фенолы, белки, углеводы. Всего из осадочных пород, почв и вод выделено свыше 500 органических соединений. Во многом именно присутствием органических веществ обусловлен своеобразный цвет природных вод водоемов и рек. Однако основная роль, которую играют растворенные органические соединения в природных водах, связана не с окраской вод, а с процессами комплексообразования, оказывающими влияние на миграцию элементов.

Рассмотренная выше классификация не учитывает также присутствия растворенных газов. Количество и природа растворенного газа оказывают существенное влияние на физико-химические процессы, протекающие в природных водоемах.

Среди известных классификаций природных вод, отчасти лишенных этих недостатков, следует назвать системы, разработанные В.И. Вернадским и А. И. Перельманом. Так, классификация природных вод, разработанная В. И. Вернадским, является, пожалуй, одной из самых подробных. Все природные воды, по В. И. Вернадскому, следует разделить на три группы: воды в твердом состоянии, воды в газообразном состоянии, жидкая природная вода.

В пределах групп он наметил деление на классы, «царства», «подцарства», семейства и виды. В. И. Вернадский выделял 480 видов вод, но писал, что их может быть и значительно больше (до 1500 видов).

А.И. Перельман предложил обобщенную систему геохимической классификации природных вод, которая состоит из шести главных таксонов, каждый из которых определяется на основании особого критерия:

– группа — температура;

– тип — окислительно-восстановительные условия, основные растворенные газы;

– класс — щелочно-кислотные условия;

– семейство — общая минерализация;

– род — растворенное органическое вещество;

– вид — основные катионы и анионы (кроме Н⁺ и ОН^–).

Примеры решения задач

Пример 4. К какому классу вод по минерализации следует от­нести природные воды, состав которых соответствует средне­му составу речной воды. При оценке принять:

а) другие примеси в воде отсутствуют; б) плотность речной во­ды равна 1000 г/л; в) при экспериментальном определении мине­рализации все гидрокарбонат-ионы перейдут в карбонат-ионы, а все остальные ионы образуют безводные соли, устойчивые при 105°С.

Решение. По условию задачи состав природной воды соответствует среднему составу воды в реках. Содержание примесей в этой во­де, как видно из таблицы 2, составляет (млн^–1): Са²⁺ – 20; Na⁺ – 5,8; Mg²⁺ – 3,4; К⁺ – 2,1; HCO – 35; SO– 12; Сl^– – 5,7.

Значение минерализации природных вод определяется в г/л, поэтому необходимо выразить концентрации анионов и катионов в этих единицах. Поскольку плотность воды по условию задачи равна 1000 г/л, концентрации примесей, выраженные в млн^–1, численно равны концентрациям, выраженным в мг/л. Поэтому, чтобы получить содержание примесей в г/л, достаточно умно­жить значение их содержания в млн^–1 на 10^–3:

С_i(г/л) = 10^{–3 .} С_i(млн^–1).

Содержание примесей в природной воде, выраженное в г/л, составит: Са²⁺ – 2,0 ^. 10^-2; Na⁺ – 5,8 ^. 10^-3; Mg²⁺ – 3,4 ^. 10^-3; К⁺ – 2,1 ^. 10^-3; HCO – 3,5 ^. 10^-2; SO – 1,2 ^. 10^-2; Сl^– – 5,7 ^. 10^-3.

По условию задачи при определении минерализации ионы HCO полностью перейдут в ионы CO. Процесс разложения может быть представлен следующим уравнением реакции, из­вестным из курса общей и неорганической химии:

2HCO  CO + Н₂О + СО₂

Образующиеся в этом процессе молекулы воды и диокси­да углерода не вносят вклада в минерализацию, поскольку при 105°С переходят в газовую фазу.

Концентрацию образующихся ионов CO можно опреде­лить по уравнению

[CO] = [HCO ] ^.,

где [CO] и [HCO] – концентрации карбонат- и гидрокарбонат-ионов (г/л) соответственно;

и – молярные массы карбонат- и гидрокарбонат-ионов (г/моль).

Концентрация ионов CO, образующихся при определении минерализации воды, может составить:

[CO] = 3,5 ^. 10^{–2 .} 60/(2 ^. 61) = 1,7 ^. 10^–2 (г/л).

Поскольку по условию задачи все ионы, кроме HCO, обра­зуют безводные соли, устойчивые при 105°С, а гидрокарбонат-ионы переходят в ионы CO и также образуют соли, значение минерализации можно определить по сумме концентраций ио­нов CO и остальных ионов, присутствующих в исходной воде:

М = [CO] + [Са²⁺] + [Na⁺] + [Mg²⁺] + [K⁺]+ [SO] + [Cl^–];

М = 1,7 ^. 10^–2 + 2,0 ^. 10^–2 + 5,8 ^. 10^–3 + 3,4 ^. 10^–3 + 2,1 ^. 10^–3 +

+ 1,2 ^. 10^–2 + 5,7 ^. 10^–3 = 6,6 ^. 10^–2 (г/л).

Поскольку полученное значение минерализации меньше 0,2 г/л, природные воды, отвечающие среднему составу речной воды, следует отнести к ультрапресным водам (таблица 3).

Ответ: природные воды, отвечающие среднему составу речной во­ды, следует отнести к ультрапресным водам.

Пример 5. Охарактеризуйте морскую воду в соответствии с классификацией, разработанной О.А. Алекиным.

Решение. Преобладающим анионом в морской воде является анион хлора, поскольку его концентрация, выраженная в ммоль-экв./л, намного превосходит концентрации других анионов (Пример 2). Поэтому морские воды следует отнести к классу хлоридных вод.

Преобладающим катионом в морской воде является катион натрия (Пример 2), поэтому эти воды следует отнести к группе натриевых вод.

Для определения типа воды просуммируем концентрации катионов кальция и магния в морской воде, выраженные в ммоль-экв./л, и сравним сумму с концентрацией гидрокарбонат-иона:

C_Ca²⁺ + C_Mg²⁺ = 10,0 + 45,3 = 55,3 ммоль-экв./л > С_HCO =

= 2,3 ммоль-экв./л.

Следовательно, морская вода не относится к первому типу вод. Сравним суммарную концентрацию анионов НСО и SO с суммарной концентрацией катионов кальция и магния в морской воде:

C _HCO +C _SO = 2,3 + 27,6 = 29,9 ммоль-экв./л < С_Са²⁺ + C_Mg²⁺ =

= 55.3 ммоль-экв./л.

Следовательно, морская вода не относится и ко второму типу вод.

Сравним концентрации ионов хлора и натрия, выраженные в ммоль-экв./л:

C_Cl– = 534,6 ммоль-экв./л > С_Na+ = 459,1 ммоль-экв./л.

Следовательно, морскую воду следует отнести к третьему типу вод.

Ответ: по классификации О.А. Алекина морскую воду следует от­нести к классу хлоридных вод натриевой группы третьего типа.