Ионный состав воды и свойства воды, зависящие от ионного состава

3.1. Главные ионы.

Главных ионов, от содержания которых зависит качество воды, семь: 4 катиона – Na¹⁺, K¹⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ и 3 аниона – Cl^1-, SO₄^2-, HCO₃^1-. При сокращенном химическом анализе воды натрий и калий определяют совместно и в такой форме - как сумму двух катионов (Na¹⁺ + K¹⁺) и рассматривают. При этом калия в воде по сравнению с натрием очень мало.

3.2. Единицы измерения содержания ионов.

Содержание ионов в растворе может быть выражено количеством миллиграммов в литре (мг/л) или миллиграмм-эквивалентов в литре

(мг-экв/л), а также в процент-эквивалентной форме (%-экв).

Для пересчета содержания ионов из мг/л в мг-экв/л используют переводные коэффициенты, равные валентности, деленной на молекулярный вес иона. Например, для сульфат-иона (SO₄^2-) этот коэффициент равен 0,0208 [к = 2: (32+4х16) = 0,0208].

Содержание процент-эквивалентов определяют отдельно для катионов и анионов.

3.3. Общая минерализация.

Важной характеристикой химического состава подземных вод является общая минерализация (то есть суммарное содержание растворенных веществ), определяемая как сухой остаток, получаемый при выпариванииводы при температуре 105-110⁰С. Как правило, величина сухого остатка, измеряемая в граммах (миллиграммах) на литр (г/л или мг/л), больше чем сумма наиболее распространенных ионов, поскольку кроме них в сухой остаток входят и другие компоненты, (например, Fe²⁺, Al³⁺, CO₂^2- и другие). Величина общей минерализации служит основой первичной и самой простой классификации воды похимическому составу (таблица 2).

Таблица 2.

Классификация природных вод по общей минерализации.

3.4. Жесткость воды.

Возможность практического использования воды во многих случаях определяется ее жесткостью. Жесткостью называют свойства воды, обусловленные присутствующими в ней ионами Ca²⁺ и Mg²⁺ и некоторыми другими веществами, например NaCl и Fe₂O₃. Жесткие воды дают большую накипь в паровых котлах, плохо взмыливаются и вызывают другие нежелательные явления. Питьевая вода не должна иметь жесткость выше 7 мг-экв/л. Слишком жесткая вода вызывает в организме накопление солей (склерозы). Относительно использования воды, совершенно лишенной жесткости (дистиллированной) мнения врачей сильно расходятся - принято считать, что дистиллированная вода непригодна для питья, т.к. выщелачивает из организма соли и газы. Однако по наблюдениям за экипажами морских кораблей многие месяцы пьющих только перегнанную воду это мнение не находит подтверждения. При использовании в хозяйственных целях жесткая вода неудобна - в ней расходуется много мыла, мясо и овощи плохо развариваются, образуется накипь в посуде, которую приходится удалять.

Общая жесткость измеряется в мг-экв/л и количественно равна сумме содержания ионов кальция и магния также измеренной в мг-экв/л. Классификация воды по общей жесткости приведена в таблице 3.

Таблица 3

Классификация подземных вод по общей жесткости.

При кипячении воды часть ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ соединяется с равным им (в эквивалентной форме) количества аниона HCO₃^1- и образуют накипь.

Жесткость, соответствующая той части кальция и магния, которая при кипячении выпадает в осадок, называется устранимой жесткостью. Выпадение кальция и магния в осадок при кипячении воды объясняется переходом ионов HCO₃^1- в ионы СО₃^2- и образованием трудно растворимых соединений – СаСО₃ и МgСО₃. Поскольку устранимую жесткость принято оценивать содержанием HCO₃^1-, ее часто называют карбонатной жесткостью. Обычно эти термины (устранимая и карбонатная жесткость) рассматриваются как синонимы, что не всегда верно, поскольку содержание магния и кальция зависит не только от содержания гидрокарбонатного иона, но и от других особенностей химического состава воды. Но в первом приближении можно считать, что:

Устранимая жесткость = карбонатная жесткость = r HCO₃^1- (в мг-экв/л). (Буква "r", стоящая перед символом иона, означает, что имеется в виду численное значение его содержания в мг-экв/л).

При полном расходовании иона HCO₃^1- оставшиеся катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ придают воде постоянную (неустранимую) жесткость, которая представляет собой, следовательно, разность между общей и устранимой жесткостью. Численно она равна, таким образом, разности (в мг-экв/л) между суммой кальция и магния и содержанием гидрокарбонатного иона, то есть:

Постоянная (неустранимая) жесткость = (r Ca²⁺ + rMg²⁺) - r HCO₃^1-.

3.5. Кислотность (щелочность) воды.

Кислую или щелочную реакцию среды выражают концентрацией водородных ионов [Н⁺] которую легче определить, чем концентрацию гидроксильных ионов [ОН^-]; этот показатель обозначают рН. Оценка реакции воды по величине рН приведена в таблице 4.

Таблица 4.

Классификация воды по величине рН.

3.6.Агрессивность подземных вод.

Разрушительное воздействие воды на бетон и металлы, возможное при определенном ее ионном и газовом составе, обозначают как агрессивность.

По отношению к бетону принято различать несколько видов агрессивности.

Агрессивность выщелачивания. Проявляется в частичном растворении карбоната кальция, входящего в состав бетона. Она возможна при малом содержании в воде НСО₃^-1 – 0,4-1,5 мг-экв/л.

Углекислая (углекислотная) агрессивность обусловлена действием агрессивного углекислого газа СО₂ (именно газа, а не иона СО₂^2- ). Опасное его содержание в воде зависит от количества аниона НСО₃^-1, минерализации воды и от условий, в которых возможно проявление агрессивности (коэффициент фильтрации, напор, сорт цемента и т.п.). При наиболее опасных условиях максимально приемлемое содержание СО₂ составляет 3 мг/л, при наименее опасных допустимо увеличение его количества до 8,3 мг/л.

Общекислотная агрессивность. Выражается в частичном растворении Са(ОН)₂, входящего в состав бетона. Она характерна для кислых вод и возможна при значениях рН от 5,0 до 6,8.

Сульфатная агрессивность обусловленавзаимодействием сульфатов, содержащихся в воде, с карбонатом кальция бетона. Образующиеся кристаллы сульфатов кальция механически разрушают бетон. Допустимое содержание SО₄^2- определяется с учетом условий, в которых находится бетон, а также зависит от содержания в воде ионов хлора. При обычных цементах агрессивность возможна, если в воде более 250 мг/л SО₄^2-, а при сульфостойких - более 4000 мг/л.

Магнезиальная агрессивность проявляется при повышенном содержании (более 2000 мг/л) в воде Mg²⁺. В результате обменных реакций в бетоне происходит формирование коллоидных соединений Mg(OH)₂, понижающих его прочность.

Кислородная агрессивность свойственна водам богатым растворенным кислородом и проявляется преимущественно на металлических конструкциях.