3.1. Хімічний склад води

Хімічно чиста вода в природі майже не зустрічається, можна її одержати тільки лабораторним шляхом. Така вода не має запаху і кольору, приємна на смак. Природна вода є гарним розчинником і тому завжди містить у собі завислі й розчинені речовини. Залежно від розмірів часток розчинених речовин розчини бувають: молекулярно-іонними(розміри не перевищують 10^-7мм),колоїдними(розміри від у 10^-7до 10^-5мм). У природних водах колоїди зустрічаються дуже часто, але в малих кількостях. Частки речовин розміром більше 10^-5мм називаються суспензіями або зависями. Вони видимі простим оком і бувають якорганічного, так інеорганічного походження.

Хімічний склад води– сукупність розчинених у природній воді мінеральних і органічних речовин в іонному, молекулярному та колоїдному стані[4].

У хімічному складі природних вод виділяють такі групи:

Головні іони, або макроелементи:аніони (негативно заряджені іони) – хлоридний (Cl^-), сульфатний (SO₄^2-), гідрокарбонатний (НСО₃^-), карбонатний (СО₂^2-);катіони(позитивно заряджені іони): натрію (Na⁺), калію (К⁺), магнію (Mg²⁺), кальцію (Са²⁺). Вміст кожного з цих іонів у природних водах не знижується нижче 1 мг/дм³, тому вони утворюють групу макроелементів і за своїм домінуванням у хімічному складі води класифікуються як головні іони. Сумарний вміст у воді розчинених солей характеризується мінералізацією М (мг/дм³), або солоністюS(г/кг, ‰). У проміле показують переважно солоність морської води і становить вона в середньому 35 ‰ (35 г/кг). Отже, проміле – одна тисячна частина якої-небудь речовини.

Мінералізація поверхневих вод– сумарний вміст усіх виявлених при хімічному аналізі поверхневих вод розчинених мінеральних речовини. Такий вміст виражають у мг/дм³, г/дм³.

Відомий геохімік В. Вернадськийза величиною мінералізації поділив природні води на такі групи:

прісні води з мінералізацією до 1г/дм³;

солоні води з мінералізацією від 1 до 50 г/дм³;

розсоли з мінералізацією до 50 г/дм³і більше.

За величиною мінералізації найбільшою популярністю користується класифікація О. А. Алекіна, розроблена в 1970 р.(табл. 3.3).

Таблиця 3.3

Класифікація природних вод за величиною мінералізації

Ступінь мінералізації	Вміст солей, г/дм^3
Прісні	до 1
Солонуваті	1–25
Солоні (морської солоності)	25–50
Розсоли	понад 50

У гідрохімічній класифікації О. А. Алекін поділяє природні води за домінуючим аніоном на 3 класи: гідрокарбонатні (НCO₃‾) й карбонатні (CO₃‾); сульфатні (SO₄²‾) та хлоридні (Cl‾).

Кожен клас поділяється за домінуючим катіоном на три групи: кальцієву, магнієву і натрієву, а кожна група – на чотири типи води. Кожний тип води визначається співвідношенням між іонами в еквівалентних концентраціях.

Перший типхарактеризується співвідношенням:

HCO₃^- Ca²⁺+ Mg²⁺.

Формування цього типу води відбувається внаслідок хімічного вивітрювання вивержених порід або за умов іонного обміну в ґрунтово-підґрунтовій товщі Са²⁺і Мg²⁺на Na⁺. Цим водам властива невисока мінералізація,виняток складають води безстічних озер.

Другий типмає таке співвідношення:

HCO₃^-Ca²⁺+ Mg²⁺HCO₃^-+ SO₄^2-.

Генетично склад цих вод пов’язаний з осадовими породами і продуктами вивітрювання корінних порід. Такі води характерні для річок, озер і підземних вод і мають невисоку, помірну мінералізацію.

Третій тип має таке співвідношення:

HCO₃^-+ SO₄^2-Ca²⁺ + Mg²⁺або CI^- Na⁺.

Склад таких вод є продуктом процесів метаморфізації. Цей тип властивий водам морів, океанів, солоних озер з підвищеною і високою мінералізацією.

Четвертий типмає таке співвідношення:

HCO₃^-= 0.

До IV типу вод, що характеризується відсутністю НСО₃^-, належать кислі води — болотні, шахтні, вулканічні або води, що дуже забруднені промисловими стічними водами.

Річкові води переважно відносяться до гідрокарбонатного класу і кальцієвої групи; підземні води – до сульфатного класу і магнієвої групи; води океанів і морів – до хлоридного класу і натрієвої групи.

У Київському національному університеті ім. Тараса Шевченкарозроблена класифікація мінералізації поверхневих вод з урахуванням практичної та екологічної вимоги при використанні води (г/дм³): дуже прісні – до 0.1; помірно–прісні – 0.1–0.6; прісні з підвищеною мінералізацією – 0.6–1.0; слобосолоні – 1.0–3.0; середньосолоні – 3–15; солоні – 15–35; сильносолоні – 35–50; розсоли понад 50.

Мінералізація річкових вод України збільшується від 0.3 г/дм³на північному заході до 3.5 г/дм³на південному сході. В такому ж напрямку збільшується і мінералізація озерних вод. Різке підвищення мінералізації поверхневих вод може свідчити про забруднення водного об’єкта стічними водами або шахтними водами.

Жорсткість (твердість) – властивість природної води, зумовлена наявністю у ній розчинених солей кальцію та магнію, які вимиваються з гірських порід (вапняків, доломітів) [4]. Розрізняютькальцієву жорсткість, спричинену солями і кислотами кальцію, імагнієву– солями і кислотами магнію.

Жорсткість води поділяють на карбонатну жорсткість– концентрація у воді гідрокарбонатних (і карбонатних при рН понад 8.3) солей кальцію і магнію танекарбонатну жорсткість– концентрація у воді кальцієвих і магнієвих солей сильних кислот. Жорсткість води у гідрохімії виражають у мілімолях кількості речовини – еквівалента кальцію і магнію в 1 дм³води: 1 ммоль/дм³. Жорсткість води відповідає 20.04 мг Са²⁺/дм³або 12.16 мг Mg²⁺/дм³. Залежно від загальної жорсткості розрізняють воду:м’яку – менше 4 ммоль/дм³, середньої жорсткості – 4–8 ммоль/дм³, жорстку – 8–12 ммоль/дм³, дуже жорстку – більше 12 ммоль/дм³ [4].

Жорсткість природних вод коливається у широких межах, змінюючись за сезонами року. В поверхневих водах жорсткість, як і мінералізація, найбільших значень досягає взимку, найменших – у період весняної повені. У поверхневих водах переважає карбонатна жорсткість води (70–80 % від загальної). Жорсткість підземних вод, особливо артезіанських, протягом року змінюється меншою мірою. Загальна жорсткість питної води допускається до 7.0 ммоль/дм³.

Біогенні речовини: сполуки азоту N, фосфору Р, заліза Fe, кремнію Si. Це перш за все нітрати (NO₃^-), нітрити (NO₂^-), амоній (NH₄⁺), фосфати (РО₄^3-). Ці речовини потрапляють у природні води головним чином при розкладанні тваринних і рослинних організмів, життєдіяльність яких протікає у водному середовищі, з атмосфери, ґрунту та при скиданні у водні об’єкти побутових, промислових і сільськогосподарських вод. Концентрація біогенних речовин у воді незначна (від тисячних до десятих долей міліграм в 1 м³), але саме ці елементи визначають рівень біопродуктивності водних об’єктів і таким чином обумовлюють якість їх води. Надмірне надходження біогенних елементів у водні екосистеми з комунально-господарськими, сільськогосподарськими і промисловими стічними водами спричиняє їхню евтрофікацію, «цвітіння води» та погіршує її якість.

Органічні речовини: комплекс розчинених і колоїдних сполук, загальний вміст яких визначається за органічним вуглецем (С орг.), або за посередніми характеристиками: забарвленістю, окисністю біохроматною і перманганатною. Органічні речовини представлені різноманітним спектром – від складних високомолекулярних сполук (гумусові речовини, білки, полісахариди та ін.) до найпростіших (вільні амінокислоти, нижчі жирні кислоти, аміни, метан, формальдегід тощо). Вміст органічного вуглецю в поверхневих водах коливається в широких межах. Найменша його концентрація (близько 1 мг/дм³) характерна для незабруднених вод, найбільша зазвичай не перевищує 10–20 мг/дм³, проте в болотних водах досягає кількох сотень мг/дм³.

Наявність у воді високих концентрацій органічних речовин зумовлює погіршення стану кисневого режиму і виникнення дефіциту розчиненого у воді кисню, оскільки зростають його витрати на окиснення.

Велике значення для біохімічних, біологічних та інших процесів, які відбуваються в материкових і океанічних водах, мають розчинені у воді гази. Розчинні гази– сукупність газів, що містяться у природних водах у розчиненому стані: кисень (О₂), діоксид вуглецю (СО₂), сірководень (Н₂S), метан (СН₄), азот (N₂).

Кисеньу водах річок і прісних озер присутній повсюдно. У верхніх шарах його більше, ближче до дна його кількість зменшується. Природні води збагачуються на кисень за рахунок надходження його з атмосфери, в результаті виділення водною рослинністю в процесі фотосинтезу. Втрачається кисень на окислення органічних речовин та у результаті виділення його в атмосферу. На практиці часто використовують відносну характеристику вмісту у воді розчинених газів – відсоток насичення А, який дорівнюєА = (Ф/Р) х 100,

де Ф – фактичний вміст газу, Р – його рівноважна концентрація у воді при даній температурі.

Якщо фактичний вміст газу у поверхневому шарі води більший за рівноважну концентрацію і величина А>100 %, то відбувається виділення газу в атмосферу. Якщо ж вода не насичена газом і А<100 %, то відбувається поглинання водою газу з атмосфери. У континентальних водоймах насиченість води киснем знижується влітку, що зумовлено зменшенням його поглинання з повітря та витрачанням на окислення органічних речовин. Взимку, коли кисень витрачається на окиснення відмерлих і дихання живих організмів, а надходження з повітря різко обмежене льодовим покривом, його дефіцит може досягати критичного рівня.

Діоксид вуглецюприсутній у всіх природних водах у вигляді розчинених молекул газу СО₂і вугільної кислоти Н₂СО₃. Діоксид вуглецю у водне середовище надходить з атмосфери, при окисленні органічних речовин і виділяється з гірських порід. Кількість діоксину вуглецю у поверхневих водах може не перевищувати одиниць мг/дм³, у підземних водах його вміст досягає кількох десятків мг/дм³, а в мінеральних водах – сотень і тисяч мг/дм³. При перенасиченні води СО₂ він виділяється в атмосферу, а також іде на засвоєння рослинними організмами при фотосинтезі. Найменше його в поверхневих водах через постійне вирівнювання з атмосферою. Найвищий вміст діоксиду вуглецю – в період льодоставу.

Сірководень(сірчистий водень) – безбарвний газ із характерним різким запахом, важчий за повітря. У водах утворюється внаслідок розпаду органічних сполук, розчинення мінеральних солей мінералів (гіпсу, сірчаного колчедану). Сірководень зустрічається в поверхневих водах переважно в придонних шарах, добре відомий у водах Чорного моря. У підземних водах цей газ зустрічається досить часто, особливо багато його у вулканічних областях і у водах нафтогазових родовищ, де вміст його може досягати 1000–2000 мг/дм³.

Вміст азотуу водних екосистемах пов'язаний з утилізацією атмосферного азоту та надходженням з водозбірної площі легкорозчинних у воді мінеральних форм азоту – нітритних, нітратних та амонійних іонів. Азот виділяється і розчиняється у воді при деструкції органічних речовин, які можуть надходити ззовні або за рахунок відмерлих гідробіонтів.

Метану проточних природних водах знаходиться у невеликих кількостях. Проте метан добре відомий у болотних водах (болотний газ), у водах озер та інших водоймах у придонних шарах. Зустрічається метан переважно в підземних водах на значних глибинах.

Інертні (благородні) гази(гелій, аргон, неон, криптон і ксенон), будучи хімічно пасивними, зустрічаються переважно у підземних водах як домішок інших газів.

Стан іонної рівноваги природних вод характеризує водневий показник, який виражається величиною рН, яка означає десятковий логарифм концентрації іонів водню (у грам-молях на дециметр кубічний, гмоль/дм³), взятий зі зворотним знаком:

рН = -log Н⁺.

Для нейтральних розчинівзначення рН = 7,кислих– рН <7,лужних– рН> 7. За О. Алекіним більшість річкових вод значення рН становить 6.5–8.5, у болотних водах – 4.5–6.0, у підземних вода 5.5–7.2, у річках та озерах 6.8–8.5, у воді океану – 7.9–8.3, у воді солоних озер – понад 8.5.

Поверхневим водам України властивий значний інтервал рН – від 5,5 до 9,7. Кислу реакцію води (рН 5,5–7,0) мають водойми та річки заболочених масивів Полісся. У воді р. Прип’ять водневий показник становить 6.8–8.3, у водосховищах Дніпра – 6.7–9.7[4].

Мікроелементи– речовини, які знаходяться в природних водах у дуже малих концентраціях (менше 1 мг/дм³). Серед них виділяють: бром (В), йод (І), фтор (F), літій (Li), барій (Ва); важкі метали: залізо (Fe), нікель (Ni), цинк (Zn), кобальт (Со), мідь (Сu), кадмій (Cd), свинець (Рb), ртуть (Hg) та ін.; радіоактивні елементи як природного (калій 40 К, рубідій 87 Rb, уран 238 U, радій 226 Ra та ін.), так і антропогенного (стронцій 90 Sr, цезій 137 Cs та ін.) походження.

В. К. Хільчевський [9] запропонував в окрему групу виділяти радіоактивні елементи, заважаючи на те, що вони специфічно впливають на живі організми

В особливу категорію сполук, що утримуються у воді, виділяють забруднюючі речовини– це органічні речовини (нафтопродукти, феноли та ін.), ядохімікати (пестициди, гербіциди), добрива, миючі засоби (детергенти), деякі мікроелементи (дуже токсичні важкі метали – ртуть, свинець і кадмій), радіоактивні речовини. Більша частинка забруднюючих речовин має антропогенне походження, але існують і природні джерела забруднення природних вод.

Чинники формування складу води. Чинники, які визначають склад природних вод, поділяються на такі групи:

1) фізико-географічні (рельєф, гідрографічна мережа, клімат, ґрунтовий покрив);

2) геологічні (склад гірських порід, тектонічна будова, гідрогеологічні умови);

3) фізико-хімічні (хімічні властивості, кислотно-лужні та окисно-відновні умови, змішування вод і катіонний обмін);

4) біологічні (життєдіяльність живих організмів і рослин);

5) антропогенні (штучні) – усі чинники, пов’язані з діяльністю людини.

1. До фізико-географічних чинниківвідносять такі:

Рельєфпосередньо впливає на мінералізацію і хімічний склад ґрунтових та поверхневих вод. Розчленований рельєф сприяє інтенсивному стоку, вилуженню та виносу солей з водоутворюючих порід. У цьому випадку виникає тенденція опріснених вод і формування гідрокарбонатного класу кальцієвої групи.

На рівнинних просторах в умовах уповільненого стоку та слабкого дренажу, особливо в умовах посушливого клімату, формуються води підвищеної мінералізації та строкатого хімічного складу (степові рівнини).

Гідрографічна мережавпливає на хімічний склад поверхневих і ґрунтових вод через густоту та глибину ерозійного врізу, величину поверхневого стоку, схили, рівневий та льодовий режим. Глибокий ерозійний вріз, велика густота річкової мережі, інтенсивний стік сприяють формуванню вод слабкої мінералізації гідрокарбонатно-кальцієвого складу (лісостеп). Слабкий поверхневий стік сприяє підвищенню рівня ґрунтових вод і при сухому кліматі – інтенсивному їх випаровуванню, що призводить до підвищення мінералізації поверхневих вод (рівнини півдня). В умовах зволоженого клімату ці фактори не істотно впливають на склад вод, тому що основним формуючим фактором є клімат.

Кліматвпливає на хімічний склад вод суходолу через склад атмосфери, атмосферні явища, сонячну радіацію, режим вітру, інтенсивність і режим атмосферних опадів, температуру повітря та випаровування.

Атмосферні опади істотно впливають на мінералізацію, склад ґрунтових і поверхневих вод унаслідок їх надходження в поверхневі водойми і ґрунтові води. Інтенсивність і кількість опадів формують режим поверхневого стоку та регулюють гідрохімічний режим річок, озер, водосховищ, вод місцевого стоку. В умовах засолених порід зони аерації у періоди інтенсивного випадання опадів у ґрунтових водах змінюється не тільки мінералізація, а й хімічний склад (степова зона).

Вплив температури повітря на зміни хімічного складу поверхневих і ґрунтових вод істотний у випадках, коли зміни температур повітря призводять до змін температури води і значного промерзання ґрунтового покриву. Коливання температур води обумовлюють зміни розчинності солей, а отже, підвищують або знижують мінералізацію. Льодовий покрив призводить до порушення рівноваги карбонатно-кальцієвої системи у поверхневих водах унаслідок накопичення вільного двоокису вуглецю при окисленні органічних речовин в умовах порушеного газообміну з атмосферою.

Випаровування поверхневих вод веде до підвищення їх мінералізації. Слабко розчинені солі випадають в осад і гідрокарбонатні води переходять у сульфатні, а потім – у хлоридні.

Ґрунтизмінюють хімічний склад поверхневих і ґрунтових вод, збагачуючи їх різними солями, органічними речовинами і вільною вуглекислотою при фільтрації атмосферних опадів.

2. Геолого-структурні фактори впливають, головним чином, на склад та

мінералізацію підземних вод, а через них – на живлення ними поверхневих вод.

До гідрогеологічних факторів відносять гідродинамічні та гідрогеологічні умови, які значною мірою обумовлюють хімічний склад поверхневих і особливо підземних вод.

3. До складу фізико-хімічних факторівформування складу природних вод відносять хімічні властивості елементів, розчинність солей, луговокислотні, окисно-відновлювальні умови, дифузію, змішування вод, катіонний обмін, температуру, тиск та ін.

4. Вплив біологічних факторівобумовлюється діяльністю рослин та мікроорганізмів. Вони зумовлюють, з одного боку, біогенну метаморфізацію природних вод, а з іншого – збагачуються у деяких випадках мікрокомпонентами.

Рослинністьвпливає на характер ґрунтових реакцій. Так, хвойні ліси сприяють збільшенню кислотності через кислі властивості їхніх органічних решток, трав’яниста рослинність, навпаки, сприяє нагромадженню лугів у ґрунтових розчинах. Водні рослини змінюють газовий та хімічний склад водойм. Унаслідок життєдіяльності рослин водойми збагачуються органічною речовиною.

Мікроорганізмиу водоймах розкладають залишки відмерлих рослин і тваринних організмів. Цей процес може закінчуватись повним розпадом органічних речовин з утворенням простих мінеральних сполук (СО₂, Н₂О та інших). Така життєдіяльність мікроорганізмів має дуже серйозне значення для природного очищення вод.

Крім того, мікроорганізми вилучають із води різні хімічні елементи (N, P, C, Ca, K, мікроелементи).

5. Антропогенні фактори– це різноманітна людська діяльність, як на водозборах, так і безпосередньо в руслах річок. За характером впливу вони поділяються на хімічні та фізичні.

Хімічний вплив– це надходження до водних об’єктів речовин зі стічними водами, з атмосфери, а також із джерел, що викликають зміну природного хімічного складу вод.

Фізичний вплив– це зміна фізичних параметрів (температури, Еh тощо). Ці впливи називають антропогенним забрудненням.

Унаслідок антропогенного впливу в природні води можуть надходити як іони, утворені за аналогією, що входять до складу незабруднених вод (хлориди, сульфати, натрій та ін.), так і компоненти, які в природних водах не зустрічаються (пестициди СПАР, деякі важкі метали).