Химический анализ природных вод, графическое

Изображение их результатов и оценка пригодности

Для различных целей

 

Введение

 

Вода является сильнейшим растворителем горных пород и представляет раствор сложного состава с очень широким диапазоном содержания растворенных веществ как по числу, так и по концентрации. Химический состав воды определяет возможность применения её для различных целей (хозяйственно-питьевого использования, орошения), а также агрессивное свойство по отношению к цементу бетона и пр.[1,2,4,5]. Важнейшими компонентами природных вод являются ионы: Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH⁺₄, HCO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2-, NO₃^-, а также газы: CO₂, H₂S, O₂ и др.Количественное содержание этих ионов в исследуемой воде устанавливается методами аналитической химии [6].

Целью данной практической работы являются – основываясь на знаниях, полученных по курсу «Общая химия» уметь анализировать химический состав природных вод, графически изображать их результаты, оценивать пригодность для различных целей.

 

Формы выражения результатов химического анализа

 

Различают весовую, молярную (эквивалентную) и процент молярную (эквивалентную) формы, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки [4,6,7].

 

Массовая или весовая форма

 

Массовая или весовая форма представляя собой основную форму выражения результатов химического вещества, характеризуется тем, что содержание ионов в исследуемой воде определяется в весовых единицах – в граммах или миллиграммах на дм³ (г/дм³, мг/дм³).

Существенным недостатком весовой формы следует считать невозможность проверки результатов выполненного анализа, ввиду того, что суммы весового количества анионов и катионов между собой не совпадают.

 

Молярная (эквивалентная) форма

Переходя к молярной форме содержание каждого иона, следует выражать не в весовых единицах (г/дм³, мг/дм³), а в молярных (моль/дм³, моль/дм³). Для пересчёта в молярную (эквивалентную) форму весовое количество иона, полученное при анализе воды делится на его молярный (эквивалентный) вес (таблица 4). Аналогичный результат достигается умножением весового содержания иона на соответствующий пересчётный множитель, представляющий собой величину обратную мольному весу.

 

Таблица 4 Молярные веса и пересчётные коэффициенты

главнейших ионов

 

Катио-ны	Молярный (эквивалентный) вес катионов	Пере- счётный коэфф.	Анио-ны	Молярный (эквивалентный) вес анионов	Перерас- чётный коэфф.
Са^2+	20,04	0,0499	HCO3^-	61,02	0,0164
Mg^2+	12,16	0,0822	SO4^2-	48,03	0,0208
Na^+	22,997	0,0438	Cl^-	35,45	0,0282
K^+	39,096	0,02558	CO3^2-	30,01	0,0333
NH^+4	18,040	0,0554	NO3^-	62,008	0,01613

 

В связи с тем, что раздельное определение ионов Na⁺ и К⁺ при анализе воды в полевых условиях встречает большие трудности, содержание этих ионов находится суммарно как разность между суммой эквивалентов анионов и суммой эквивалентов катионов Са²⁺ и Mg²⁺.

Ввиду того, что ионы реагируют между собой в молярных (эквивалентных) количествах, сумма эквивалентов анионов должна равняться сумме эквивалентов катионов. Пересчёт в молярную (эквивалентную) форму определяет, таким образом, возможность проверки результатов выполненного анализа.

 

Процент – мольная (эквивалентная) форма

 

Для вычисления содержания каждого иона в процентах (% - моль), сумму эквивалентов анионов (∑ r А) и сумма эквивалентов катионов (∑ r К) принимают в отдельности за 100%,после чего рассчитывают процентное содержание каждого иона по отношению к этой сумме.

Пересчёт в процент – мольную (эквивалентную) форму осуществляется для выявления ионов, преобладающих в исследуемой воде, для сопоставления химического состава подземных вод различной минерализации, с целью классификации этих вод и графического изображения результатов анализа.

 

Определение состава природных вод

 

Жёсткость воды

Жёсткость воды определяется содержанием растворённых солей, кальция и магния. Различают общую, устранимую и постоянную жёсткости воды. Общая жёсткость обусловлена суммарным содержанием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, устранимая представляет собой ту часть жёсткости, которая вызывается бикарбонатами Ca²⁺ и Mg²⁺ и устраняется кипячением воды, постоянная равно общей жёсткости минус устранимая. Общая жёсткость принято выражать в миллиграмм – моль (эквивалент) на дм³ (ммоль/дм³) и в немецких градусах (^оН). Миллиграмм – моль жёсткости соответствует раздельному содержанию в дм³ воды эквивалентных количеств Ca²⁺, Mg²⁺ и CaО, а именно 20,04 мг Ca²⁺ , 12,16 мг Mg²⁺ или 28 мг CaО. Немецкий градус жесткости эквиваленте содержанию 10 мг CaО в литре воды. Сопоставляя названные показатели жесткости по величине CaО устанавливаем, что один ммоль жесткости равен 2,8 немецких градусов.

Значение общей жесткости воды в ммоль/дм³ находится суммированием содержания иона Ca²⁺ и Mg²⁺ в молярной форме. Умножая полученную величину на 2,8 находим общую жесткость в немецких градусах.

 

Минерализация воды

 

Минерализация воды определяется содержанием растворенных минеральных веществ и рассчитывается как арифметическая сумма весовых количеств всех ионов в дм³ воды. При подсчете минерализации суммарное содержание ионов, выраженное в миллиграммах на дм³ переводится в граммы, с округлением до первого знака после запятой.

Пример: сумма ионов составляет 14176 миллиграмм, минерализация воды 14,2 г/ дм³.

 

Содержание растворенных газов, температура, дебит

Полный химический анализ воды предусматривает определение растворенных газов (СО₂, Н₂S и др.) содержание которых выражается миллиграммами на дм³ (мг/ дм³). При полевых исследованиях устанавливается температура природных вод (Т) и определяется дебит источников или скважин путем замера вытекающей или откачиваемой из них воды.

Дебит (Д) выражается литрами в секунду (л/с) или кубометрами в сутки (м³/сутки).

 

Химическая классификация природных вод

Классификация О.А. Алекина

 

Классификация О.А. Алекина (рисунок 8) сочетает принцип деления подземных вод по преобладающим ионам и по соотношению между ними. По преобладающему аниону О.А. Алекиным /4/ выделяются три класса вод: гидрокарбонатная, сульфатная и хлоридная. По ведущему катиону различают группы кальциевых, магниевых и натриевых вод. Соотношение ионов позволяет установить различные типы вод. При выделении которых содержание ионов выражается в молярной форме (r)

 

1 тип r > r Ca²⁺ + r Mg²⁺ (гидрокарбонатный натриевый),

2 тип r < r Ca²⁺ + r Mg²⁺ (сульфатный натриевый),

3 тип r + < r Ca²⁺ + r Mg²⁺ или r Сl^- >r Na⁺

4 тип r + =0

3 тип подразделяется: 3_а rCl^- < r Na⁺+ r Mg²⁺ (хлормагниевый),

3_б rCl^- < r Na⁺+ r Mg²⁺(хлоркальциевый).

 

 

Рисунок 8 Классификация природных вод по О.А. Алекину

 

Типы гидрокарбонатных: Ca - I,II,III; Mg – I,II,III; Na – I,II,III

Типы сульфатных: Ca - IV,II,III; Mg – IV,II,III; Na – I,II,III

Типы хлоридных: Ca - IV,II,III; Mg – IV,II,III; Na – I,II,III

 

Эти гидрохимические оценки можно записать и в более сжатой форме. Если классы вод обозначить условными индексами (С-гидрокарбонатные воды, S-сульфатные, Cl-хлоридные), а типы римскими выделить символами ведущих катионов (Ca,Mg, Na), а типы римскими цифрами (I-IV), то химическая характеристика вод указанного состава запишется так: .

Эту краткую форму записи следует использовать, указывая класс воды по Алекину в таблице результатов химических анализов природных вод (таблица 5).

 

Формула М.Г. Курлова

При массовых определениях химического состава природных вод возникает необходимость обобщения, полученных результатов и изображения анализов воды в виде кратких формул, допускающих обзор и интерпретацию аналитического материала. Формула Курлова представляет собой псевдо-дробь, в числителе которой в порядке убывающего содержания записываются анионы, а в знаменателе катионы, выраженные в процентах (дробные величины процентов округляются до целых чисел). Слева от полученной «простой дроби» указывается содержание растворенных газов в мг/ дм³ и величина минерализации воды в г/ дм³, справа от нее температура воды и дебит скважины в м³ /сутки. Образец записи результатов анализа в виде формулы Курлова приводится ниже

.

 

 

Наименование водам дается по преобладающим (свыше 20% моль) анионам и катионам в порядке их возрастания (приведенный анализ читается – вода сульфатно-хлоридно-карбонатная, магниево-кальциевая).