Химический состав подземных вод

Химический состав подземных вод необходимо знать для  изучения их гидрохимических свойств.

Передвигаясь в толще горных пород, подземные воды насыщаются окислами, солями и продуктами органического разложения.Некоторые из этих солей влияют на возможность использования подземных вод для тех или иных целей, другие не оказывают существенного влияния.Для изучения состава подземных вод и их гидрохимических свойств проводят их химический анализ. В воде часть молекул всегда находится в диссоциированном состоянии, в виде ионов Н+ и ОН-.

Концентрация недиссоциированной воды считается постоянной, поэтому произведение ионов водорода и ионов гидроксила при данной температуре тоже будет величиной постоянной. При температуре 22° С эта величина равна 10 ^-14 .Так как чистая вода имеет нейтральную реакцию, количества ионов водорода и ионов гидроксила должны быть равны.Следовательно, [H+]=[OH-]=10 ^-7 .Это выражение означает что в одном литре чистой воды при 22 ° С содержится 10 ^-7 , грамм-молекул воды в ионизированном виде, то есть 10 ^-7 грамм-ионов водорода и 10 ^-7 грамм-ионов гидроксила.

Если [H+]=10(-7), то lg[H ⁺ ]= -7 и -lg[H+]= 7. Выражение -lg[H+] означает pH.Следовательно , если pH<7-реакция воды кислая, если pH>7-щелочная.При химическом анализе воды кроме pH определяют величину сухого остатка после выпаривания и количества веществ, содержащихся в воде.Количества веществ показывают в ионной форме, при которой содержание отдельных ионов определяют в миллиграммах на 1 л воды .Однако результаты химического анализа, выраженные в ионной форме, неудобны для сравнения, поэтому для возможности сопоставления анализов воды их пересчитывают в эквивалентную форму, умножая на соответствующие пересчетные коэффициенты.

Читай также :

◊ грунтовые воды;

◊ межпластовые воды

◊ химический состав подземных вод

◊ показатели качества питьевой воды

 

Если атомный вес какого-либо иона разделить на его валентность, получится так называемый эквивалентный вес .Частное от деления единицы на эквивалентный вес дает величину пересчетного коэффициента. Так, например, атомный вес кальция Ca=40,07,его валентность равна 2, следовательно, эквивалентный вес 40,07 : 2 =20,035. Пересчетный коэффициент : 1: 20,035 = 0,0499. Величины пересчетных коэффициентов, наиболее часто встречающиеся в расчетах даны в таблицу-1.

Таблица-1. Коэффициенты для пересчета ионов в миллиграмм-эквивалентную форму

Если сумму всех катионов и анионов в миллиграмм-эквивалентной форме принять за 100 %, можно получить соответствующие выражения для анионов и катионов в процентмиллиграмм-эквивалентной форме.Количества катионов и анионов, выраженные в процентмиллиграмм-эквивалентной форме, должны быть равны между собой , то есть сумма всех катионов должна составлять 50%, что является удобным контролем анализа.В последнее время очень часто принимают за 100 % сумму миллиграмм-эквивалентов анионов и также за 100%-сумму миллиграмм-эквивалентов катионов.Расчет от этого не изменяется, но величины процентмиллиграмм-эквивалентов становятся в два раза больше.

При анализе воды могут быть неточности.Допустимая неточность анализа определяется из выражения:

(∑мг-экв.катионов —∑ мг-экв.анионов)
——————————————————— 100 ≤ 5,0%;
(∑мг-экв.катионов+∑ мг-экв.анионов)

Допустим, например, что в результате химического анализа воды получены следующие данные ( г/л): Na+ -10,71; К+ -0,39; Ca2+ -0,42; Mg2+ -1,30; SO4(2-)-2,70; CO2(2-) -0,07; Cl- 19,35; Br2(4-)-0,06; Всего -35,00.Воспользуемся таблицей-1 и пересчитаем результаты анализа в миллиграмм-эквивалентную и процентмиллиграмм-эквивалентную формы ( таблица-2). В приведенном примере ( смотри таблицу-2) неточность анализа
603,69 — 603,83
———————— 100 =0,012 % <5,0%.
603,69+603,83

Если результаты анализа воды выражены в миллиграмм-эквивалентной форме, то перед символом иона ставят букву r, например, rCl- = 543,74.Для удобства сопоставления анализов воды получили распространение различные способы сокращенного изображения состава. Наиболее часто применяются формула М.Г. Курлова и квадрат Н.И. Толстихина.

М.Г. Курлов предложил изображать анализ воды в виде пвсевдодроби.Перед дробью пишут букву М с  с индекслом, равным количеству сухого остатка в граммах на 1 л или сумме миллиграмм-эквивалентов.В числителе дроби пишут в убывающем порядке анионы с индексом, равным содержанию данного иона в воде в процент миллиграмм -эквиваленте, а в знаменателе в таком же порядке -катионы.

При этом ионы, содержащиеся в количествах менее 10% мг-эк( при ∑а=∑ℜ=100%), не указываются.После дроби указывают температуру воды  и дебит источника или скважины. Если в воде имеются элементы специфичные или данного анализа, то их количества ( в мг/л) выписывают между М и дробью.Для воды, приведенной выше в примере, анализ воды по М.Г. Курлову, может быть изображен так:

Н.И. Толстихин предложил изображать анализ воды в виде точки на графике-квадрате. Квадрат имеет 100 номеров, расположенных в маленьких квадратиках( рис-1). По нижней горизонтальной стороне квадрата откладывают слева направо сумму процент миллиграмм-эквивалентов кальция и магния, по верхней горизонтальной стороне справа налево-сумму процент миллиграмм-эквивалентов калия и натрия. По левой боковой стороне снизу вверх откладывают процент миллиграмм-эквиваленты хлора и сульфатов.

Рисунок-2. График-квадрат И.И. Толстихина для графического изображения состава воды.

 

Тогда для того же примера ( смотри таблицу-2) получим:

% rNa+  +%rK+ + 77,16 +1,66=78,82;

%rCl‾ +%rSO4²‾ =90,06 + 9,30 =99,36.

По содержанию натрия и калия номер воды определится по вертикальной колонке с числом единиц, равным  8.По содержанию хлора и сульфата номер воды определится по горизонтальному ряду с числом десятков, равным 9.Следовательно, номер воды находится на пересечении указанных вертикальной колонки и горизонтального ряда и будет равен 98. Вода -хлоридно-натриево-магниевая.

Таблица-2. Анализы воды, пересчитанные в миллиграмм-эквивалентную форму:

Количество растворенных в воде углекислых и сернокислых солей кальция и магния обусловливает так называемую жесткость  воды, измеряемую градусами жесткости. Существует три системы градусов жесткости: немецкая, французская и английская.За один немецкий градус жесткости принимается содержание в 1 л воды 10 мг CaO или 7,2 мг MgO.

За один французский градус-содержание в 1 л воды  10 мг СаСО3 или 17,5 мг MgCO3. В английской системе одному градусу жесткости соответствует содержание в 1 л воды 14 мг  СаСО3 [ точнее, в английских мерах-1 гран ( 64,79892 мг ) СаСО3 на 1 галлон (4,546 л)воды].

Для перевода  из одной системы градусов в другую можно воспользоваться такими соотношениями:

1,0° жестк.нем.=1,79°жест.франц.=1,25° жест.анг.

0,56° жестк.нем.=1,0°жест.франц.=0,7° жест.анг.

0,8° жестк.нем.=1,43°жест.франц.=1,0° жест.анг.

Количество солей, мг/л, из которых каждая в отдельности обусловливает 1° жесткости, представлены ниже.

Соли               CaO         MgO       CaCO3    MgCO3    CaCl2       MgCl2    CaSO4     MgSO4

1° нем             10,0          7,2        17,9          8,0            19,7         17,0         25,0         21,5

1°франц          5,6           4,0          10,0        4,4           11,0         9,5            14,0          12,0

1° англ             8,0            5,8        14,0         6,4           15,8         13,6          20,1          17,2

В СССР  вместо жесткости в градусах введено понятие жесткости в миллиграмм-эквивалентах на литр.За единицу жесткости принимают 1 мг-экв Са, то есть 20,04 мг Са на 1 л воды.Вместо кальция может быть принят 1 мг-экв магния, то есть 12,16 мг Mg на 1 л воды. Для перевода из системы градусов жесткости ( немецких) в миллиграмм-эквиваленты и обратно можно воспользоваться такими соотношениями: 1 мг-экв/л соответствует 2,8° жестк.( нем); 0,357 мг-экв/л соответствует 1,0 ° жестк.( нем).

Принято различать общую, временную и постоянную жесткость воды. Общей называют жесткость, соответствующую пробе свежей воды. При кипячении воды растворенные в ней бикарбонаты ( двууглекислые соли ) переходят в углекислые и выпадают в виде осадка или накипи. Жесткость, соответствующая кипяченой воде, называется постоянной.Разность между общей и постоянной жесткостью воды называют временной жесткостью.