Практическое задание по дисциплине «Гидрология» для ЭИОС СГУГиТ

ЗАДАНИЕ

Природные воды

Цель работы: Приобретение навыка описания природных вод. Дано:

1. Результат лабораторного анализа химического состава природной воды (таблица 1).

Таблица 1 Химический состав воды, мг/л

Вариант	рН	Ca2+	Mg2+	Na+	Cl—	SO42-	CO32-	НСО3—
1	7.2	93	10	6	6	83	—	238
2	7.5	76	143	37	17	25	—	890
3	7.4	88.2	29.1	21.4	14.2	79.0	—	346.0
4	7.5	152.3	121.2	630.0	553.0	915.6	—	629.7
5	7.2	3.4	3.0	3.017	1.9	1.11	—	26.56
6	7.9	381.0	122	1402	815	1637	—	2245
7	9.2	0.5	1.5	103.9	5.0	0.98	40.0	160.0
8	8.8	44.0	32.7	221.5	17.0	64.6	86.4	683.4

 Требуется: Провести все расчеты, составить формулу Курлова и дать название природным водам. Предварительное пояснение: Природная вода представляет собой слабый раствор. Суммарное содержание в воде растворенных неорганических веществ (концентрация солей) выражают либо в виде минерализации M (мг/л, г/л), либо в виде солености S (г/кг, ‰[1]). По содержанию солей природные воды подразделяют на четыре группы: пресные – менее 1 ‰, солоноватые – 1-25 ‰, соленые – 25-50 ‰, высокосоленые (рассолы) – свыше 50 ‰. Определение минерализации или солености проводят по плотному остатку. Плотный остаток определяют путем выпаривания определенного количества профильтрованной воды и высушивания остатка при 105 °С до постоянного веса. Вес остатка измеряют в граммах и определяют с точностью до четвертого знака после запятой. Количество взятой для выпаривания воды измеряют либо в миллилитрах, либо в граммах. Если количество воды выражено в миллилитрах, то концентрацию солей в воде называют минерализацией и определяют по формуле: М (г/л) = 1000·вес остатка/объем воды. Если количество воды выражено в граммах, то концентрацию солей в воде называют соленостью и определяют по формуле: S (г/кг, ‰) = 1000·вес остатка/вес воды. Минерализацию можно определить и по химическому составу природной воды. В этом случае минерализацию определяют как сумму всех ионов в одном литре воды. Для обычных расчетов можно пренебречь различием между минерализацией и соленостью пресных, солоноватых и соленых природных вод, однако для высокосоленых вод, из-за возникновения достаточно большой ошибки, этого делать уже нельзя. В природной воде в виде растворимых углекислых, двууглекислых, хлоридных и сернокислых солей присутствуют кальций и магний, что придает этой воде особые свойства. Совокупность свойств воды, обусловленных содержанием в ней этих щелочноземельных элементов, называется жесткостью воды. Жесткость воды бывает временная, постоянная и общая. Временная жесткость воды (устранимая, карбонатная) (Ж_вр) — обусловливается содержанием бикарбонатов. При нагревании или кипячении воды бикарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, при этом жесткая вода умягчается. Обычно карбонатная жесткость составляет 70-80% от общей жесткости. Постоянная жесткость воды (некарбонатная) (Ж_п)- обусловливается содержанием сульфатов, хлоридов и других (кроме бикарбонатов) солей кальция и магния. При нагревании или кипячении воды они остаются в растворе. Общая жесткость воды (Ж) — определяется как суммарное содержание в воде солей кальция и магния, выражается как сумма карбонатной и некарбонатной жесткости: Ж = Ж_п + Ж_вр В разные годы жесткость воды в нашей стране измерялась в разных единицах. До 1972 года жесткость измерялась в мг-экв/л. С января 1989 года — в моль/м³, а с января 2005 года, с введением в действие ГОСТ Р 52029-2003, жесткость выражается в градусах жесткости (°Ж). Градус жесткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм³ (г/м³). Численные значения жесткости, измеренные в мг-экв/л, моль/м³ и °Ж, несмотря на различия в обозначении, равны между собой. В зависимости от содержания ионов кальция и магния природная вода может быть: мягкой – °Ж £ 3,5; средней жесткости – 3,5 < °Ж £ 7; жесткой – 7 < °Ж £ 14; очень жесткой –  °Ж > 14. Очень важный показатель природной воды – это ее активная кислотность или водородный показатель (pH). По водородному показателю все природные воды делятся на следующие группы: — нейтральные (6,5 < рН £ 7,5); — слабощелочные (7,5 < рН £ 8,5); — щелочные (8,5 < рН £ 9,5); — сильнощелочные (рН > 9,5); — слабокислые (5,5 < рН £ 6,5); — кислые (4,5 < рН £ 5,5); — очень кислые (рН £ 4,5). Приведенная выше классификация природных вод по их минерализации не учитывает особенностей содержания отдельных ионов. В природной же воде могут быть абсолютно разные ионы, однако наибольшая доля среди них приходится на небольшую группу ионов. Это — анионы: НСО₃^— -гидрокарбонат, SO₄^2- — сульфат, Cl^—— хлорид и катионы: Ca²⁺— кальций, Mg²⁺— магний, Na⁺  — натрий и К⁺— калий. О. А. Алекиным была предложена классификация природных вод, сочетающая принцип деления по преобладающим анионам и катионам с делением по соотношениям между ионами. Согласно этой классификации все природные воды делятся по преобладающему аниону на 3 класса: гидрокарбонатные (и карбонатные), сульфатные и хлоридные. Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на 3 группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Для определения степени преобладания того или иного иона, а, следовательно, и отнесение воды к тем или иным классам и группам, содержание всех ионов должно быть сначала выражено в мг-экв/л, а затем преобразовано в процентное содержание от суммы катионов или анионов в зависимости от того, какой ион рассматривается. При определении класса и группы воды пользуются следующим правилом: учитывают лишь те ионы, содержание которых не менее 25%, причем, сначала указываются те из них, которых меньше. В случае выражения химического состава в мг/л для его перевода в мг-экв/л необходимо количество мг/л иона разделить на его эквивалентную массу (мг). Эквивалентная масса катионов: Ca²⁺ — 20,0; Mg²⁺ — 12,15; Na⁺ — 23,0. Эквивалентная масса  анионов: CO₃^2- — 30,00; НСО₃^— — 61,0; SO₄^2- — 48,0; Cl^— — 35,5. Теоретически, сумма всех мг-эквивалентов катионов должна быть равна сумме всех мг-эквивалентов анионов. Однако на практике часто эти суммы не совпадают. Различие в этих суммах может быть либо в пределах ошибки (5%) опыта, либо больше, что может быть следствием неполного химического анализа, либо результатом технической ошибки. В первом случае предпринимать каких-либо дополнительных действий не требуется, в остальных случаях необходимо либо проверить расчеты, либо искать дополнительные ионы. При описании химического состава воды чаще всего показывают содержание в ней отдельных ионов в мг/л. Однако при таком способе отображения химического состава, прежде чем сформулировать название воды, необходимо проведение расчетов, что не всегда удобно. Для более наглядного изображения химического состава природных вод удобно применять формулу Курлова. В этой формуле, выражаемой в виде псевдодроби, в числителе в убывающем порядке пишут долю (%) мг-эквивалентов аниона с его символом, в знаменателе, аналогичным способом, катионы. Количество вещества эквивалента катионов и анионов округляется до целого числа. Впереди дроби указывают минерализацию в г/л, рН, общую жесткость в градусах жесткости (°Ж) и, при необходимости, компоненты, придающие воде специфические свойства (содержание газов, микроэлементов, биогенных и органических веществ, радиоактивность и т.д.). Для подземных вод после дроби указывают температуру (°С) и дебит (D) воды (м³/сутки). В формуле Курлова обычно указывают лишь те ионы, концентрация которых превышает 10%, однако рекомендуется вписывать все ионы, даже если их содержание очень незначительно. Пример выполнения задания.

Дать название природной воде, химический состав которой показан в таблице 2 в первой строке.

Таблица 2 Пример выполнения работы

Номер строки	Единица измерения	рН	Ca2+	Mg2+	Na+	Cl—	SO42-	НСО3—
	2	3	4	5	6	7	8	9
1	мг/л	6.92	79	37	35	12	66	418
2	мг-экв/л		3,95	3,04	1,52	0,34	1,37	6,85
3	мг-экв/л		8,51			8,56
4	%		46	36	18	4	16	80

 Выполнение задания:

1. Определяем минерализацию воды (М). Для этого суммируем все числа в первой строке в столбцах 4-9.

79+37+35+12+66+418=647, отсюда М = 647 мг/л = 0,647 г/л = 0,647 ‰. Следовательно, согласно классификации природных вод по минерализации, вода пресная.

2. Определяем активную кислотность воды. Вода имеет рН равный 6,92 (первая строка столбец 3), следовательно, вода нейтральная.
3. Преобразуем химический состав воды из мг/л в мг-экв/л, для этого содержание каждого иона, выраженного в мг/л (строка 1), делим на его эквивалентную массу. Результаты деления показаны в соответствующих столбцах строки 2.
4. Определяем жесткость воды (Ж). Для этого суммируем содержимое столбцов 4 и 5 строки 2.

3,95+3,04=6,99 Ж = 6,99 мг-экв/л = 6,99 °Ж. Следовательно, вода средней жесткости.

5. Определяем сумму катионов и анионов. Результаты показаны в строке 3. Сумма катионов не совпадает с суммой анионов.
6. Оцениваем величину расхождения между этими суммами. Из большего числа вычитаем меньшее, делим на большее и умножаем на 100.

((8,56-8,51)/8,56) ^. 100=0,6 Полученное расхождение (0,6%) значительно ниже допустимого (5%), т.е. находится в пределах ошибки опыта, и, каких-либо дополнительных мер предпринимать не требуется.

7. Определяем долю (%) каждого катиона в сумме катионов и каждого аниона в сумме анионов. Результаты показаны в строке 3.
8. Определяем класс воды. Из всех анионов только на долю гидрокарбоната приходится более 25 %, следовательно, вода относится к гидрокарбонатному классу.
9. Определяем группу воды. В сумме катионов более 25 % приходится и на кальций и на магний, но магния (36 %) меньше, чем кальция (46 %), следовательно, вода относится к магниево-кальциевому классу.
10. Составляем формулу Курлова.
11. Даем полное название воды:

Вода пресная, нейтральная, средней жесткости, гидрокарбонатная, магниево-кальциевая. Выполнение задания:

1. Для каждого варианта химического состава воды (таблица 1) провести все расчеты аналогично приведенного выше примера.
2. Написать формулу Курлова.
3. Дать название природным водам.
4. Оформить отчет.

Вопросы для самопроверки:

1. Как определяется минеральный состав природной воды.
2. Какие соли присутствуют в природной воде.
3. Что такое жесткость воды.
4. В чем измеряется жесткость воды
5. На какие группы делится природная вода по водородному показателю.
6. Как формируется формула Курлова.