Растворенные минеральные соли. Соленость и жесткость

Основные запасы воды на нашей планете сосредоточены в Мировом океане (96,5%). Пресных вод в гидросфере всего 2,58% от общих запасов воды. При этом в реках и озерах находится всего соответственно 0,006% и 0,25% от общего количества пресных вод, остальная их часть аккумулирована в ледниках, вечных снегах и в литосфере. Таким образом, основная часть нашей гидросферы – это соленая вода. Что же такое соленость?

Соленостью принято называть сумму концентраций всех растворенных в воде минеральных веществ. Наиболее часто соленость воды выражается в граммах на 1 кг, или в промилле (%₀). По степени солености все природные воды, согласно Венецианской системе, подразделяют на пресные (до 0,5%₀), миксогалинные или солоноватые (0,5 - 30%₀), олигогалинные (0,5 - 5%₀), мезогалинные (5 - 18%₀), полигалинные (18 - 30%₀), эугалинные или морские (30 - 40%₀), гипергалинные или пересоленные (более 40 %₀). К пресным водоемам относятся реки и большинство озер, к эугалинным Мировой океан, к миксогалинным и гипергалинным некоторые озера и отдельные участки Мирового океана. Например, Финский залив по международной классификации является солоноватоводным или (в западной части) мезогалинным водоемом.

Воды с постоянной соленостью называют гомойогалинными, с непостоянной соленостью – пойкилогалинными.

Организмы, приспособленные к обитанию в водах с узким диапазоном солености, называют стеногалинными, а приспособленные к широкому диапазону солености – эвригалинными.

Основными солями, содержащимися в морской воде, являются: 1) хлориды (NaCl, MgCl), доля которых равна 88,7% всех растворимых в воде веществ. Они придают воде горько-соленый вкус; 2) сульфаты (МgSО₄, СаSО₄, Ка₂SО₄), которых в морской воде содержится 10,8%; 3) карбонаты (СаСО₃), доля которых составляет 0,3% всех растворенных солей. Установлено, что состав веществ (их соотношение), определяющий соленость морской воды, почти одинаков и постоянен во всех точках, как на поверхности, так и на глубинах Мирового океана. При изменении общего количества растворенных солей (солености) их процентное соотношение не изменяется. Поэтому для определения солености морской воды достаточно измерить количество одного какого-нибудь химического элемента (обычно хлора, как наиболее легко определяемого) и по нему вычислить общую соленость и количество всех остальных элементов. Эмпирическое соотношение между солёностью Мирового океана и содержанием хлора, установленное Международной Комиссией по изучению моря: S = 1,80655 Cl, где S - хлорный коэффициент. Для определения солёности по хлору используют специальную таблицу. Для внутренних морей эта формула непригодна. Нужны специальные формулы для каждого побережья отдельно.

Кроме данного способа определения солености из числа химических следует упомянуть проведение детального химического анализа воды. Но кроме химических, существуют также физические способы определения солености: а) по плотности воды при определённой температуре (ареометрический); б) по измеренному коэффициенту преломления воды (оптический); в) по электропроводности.

Соленость воды в Мировом океане одинакова не везде. В открытой части она изменяется в пределах 33-37 %₀ и зависит от климатических условий (разности испарения и количества выпадающих осадков). Поэтому в ее распределении четко проявляются черты широтной зональности, что позволяет картировать эту характеристику (карты изогалин). В отдельных районах широтная зональность нарушается влиянием переноса солей течениями. В распределении солености поверхностных вод прослеживается зональность, обусловленная прежде всего соотношением выпадающих атмосферных осадков и испарения. Уменьшают соленость сток речных вод и тающие айсберги. В приэкваториальных широтах, где осадков выпадает больше, чем испаряется, и велик речной сток, соленость 34-35 %₀. В тропических широтах мало осадков, но велико испарение, поэтому соленость составляет 37 %₀. В умеренных широтах соленость близка к 35, а в приполярных – наименьшая (32-33 %₀), т.к. количество осадков здесь больше испарения, велик речной сток, особенно сибирских рек, много айсбергов, главным образом вокруг Антарктиды и Гренландии.

Если говорить о воде озер, прежде всего необходимо вспомнить о том, что озера бывают не только пресные. Озера, вода которых содержит большое количество минеральные солей (обычно свыше 1 %₀), называют минеральными. Минеральные озера подразделяются на солоноватые (до 35 %₀) и соленые (свыше 35 %₀). Минеральные озера – в характерный компонент аридных ландшафтов. Накопление солей обычно происходит за счет вноса в бессточные котловины растворенных минеральных и биогенных элементов, солей и газов реками, подземными водами и атмосферными осадками и интенсивного испарения с водной поверхности озер. Встречаются и ситуации, когда соленость озер обусловлена периодическим попаданием в них морской воды, например, во время штормов, если озеро расположено рядом с берегом моря. По химическому составу минеральные озера подразделяются на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-соленые) и хлоридные (соленые).

Содержание растворенных солей в пресных озерах имеет нижнюю границу порядка нескольких мг в 1 л. Представленность ионов в воде пресных озер более или менее согласуется с природными зонами, в которых эти озера находятся. Так, в озерах тундры преобладают анионы силикатов и гидрокарбонатов, в лесной зоне — ионы кальция и гидрокарбонатов, в степной, пустынной и полупустынной — ионы натрия и хлора. Кроме главных ионов минерализации — HCO₃^-, СО₃^2-, Cl^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, для развития жизни очень важны и нередко дефицитны биогенные элементы: N (в его связанной форме), Р, Si, Fe, Mn, Cu, Zn и др. От соотношения недиссоциированной и диссоциированной углекислоты, её гидрокарбонатных и карбонатных солей зависит в большинстве случаев pH воды.

Состав речной воды, с точки зрения соотношения растворенных в ней анионов, также резко отличается от состава морской воды. Как и в воде пресных озер, солевой состав речных вод определяется катионамиСа²⁺, Мg²⁺, Nа⁺, К⁺ и анионами НСO₃^-, Сl^- , SO₄^2-. Эти ионы называются главными ионами воды или макрокомпонентами; они определяют химический тип воды. Остальные ионы присутствуют в значительно меньших количествах и называются микрокомпонентами; они не определяют химический тип воды. Обычно основные анионы речных вод – гидрокарбонаты и карбонаты (60,8%). Высока и доля сульфатов – 9,9%. А вот хлористые соединения, преобладающие в морских водах, находятся в реках в очень малом количестве (5,2%).

Если говорить о свойственных пресным водам катионах, наибольшее внимание всегда привлекает содержание кальция и магния. Это связано и с тем, что соли этих металлов обычно слабо растворимы и легко выпадают в осадок, и с тем, что эти катионы, особенно кальций,играют большую роль в жизни водных организмов. Сумма концентраций в воде ионов магния и кальция называется жесткостью.

Согласно традиционно принятой в России, хотя и не соответствующей международным стандартам (т.е. системе СИ), системе, жёсткость выражают в миллиграмм-эквивалентах (или миллиэквивалентах) ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре (т. е. 1 дм³, то есть 1 кг) воды. Он рассчитывается как частное от деления массы 1 миллимоля иона на величину электрического заряда (валентности) данного иона. Таким образом, более точно эту величину можно назвать миллимоль-эквивалент/дм³. 1 миллиграмм-эквивалент соответствует содержанию в воде 20,04 мг Ca²⁺ или 12,16 мг Mg²⁺. Расчет жесткости в этих единицах можно производить по следующей формуле:

Ж =	x(Ca²⁺)	+	x(Mg²⁺)
	20,04		12,16

где x(Ca²⁺) и x(Mg²⁺) — концентрация в мг/л ионов кальция и магния. Кроме этой единицы, в литературе можно также встретить жесткость воды, выраженную в немецких, английских, французских и американских градусах.

Жёсткость подразделяют на временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную). Карбонатная жёсткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а ионы Ca2+ и Mg2+ выпадают в осадок в виде малорастворимых карбонатов. С течением времени часть выпавших в осадок карбонатов вновь растворяется, особенно в щелочной воде, что приводит к повышению временной жёсткости. Жёсткость, сохраняющаяся после кипячения воды, называется постоянной.

По степени жесткости, то есть по суммарному содержанию катионов кальция и магния (в миллиэквивалентах), независимо от того, с каким анионом они связаны, природные воды различаются следующим образом: очень мягкие (<1,5); мягкие (1,5-3,0); умеренно жесткие (3,0-6,0); жесткие (6,0-9,0); очень жесткие (> 9,0).

Жесткость воды в значительной мере зависит от представленности относительно легко растворимых кальцийсодержащих горных пород, например, известняков. Так, в Ладожском озере и Неве вода очень мягкая (0,5). Более жесткая вода характерна, например, для некоторых рек южного берега Финского залива: они текут с территории плато, сложенного ордовикскими известняками. Довольно жесткая вода и на юге европейской части России.

Жёсткость природных вод может варьировать в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда, так как дождевые и талые воды обычно содержат мало растворенных солей. Наименьшая минерализация воды в реках наблюдается в периоды половодья и дождевых паводков, а наибольшая – в зимний период. Наибольшей жёсткостью отличаются воды морей и океанов, а также водоёмов с грунтом, состоящим из кальциевых пород. Наименее жёсткая вода содержится в водоёмах, которые питаются исключительно атмосферными осадками (при условии, если в их грунтах не содержится кальций), в водоёмах тундры и тайги, в лесных водоёмах и в реках, протекающих в местностях с торфяными болотами. Минерализация речных вод в целом увеличивается с севера на юг от 100-150 мг/дм 3 в тундровой зоне до 800-1000 мг/дм 3 на реках пустынной зоны. Большинство рек России имеют малую (100-200 мг/дм 3 ) и среднюю (200-500 мг/дм 3 ) минерализацию воды.

Значение минеральных ионов в жизни водных организмов очень многогранно. Одни из них, получивших название биогенов, необходимы растениям для обеспечения процессов биосинтеза. К таким биогенам, лимитирующим рост и развитие гидрофитов, в первую очередь относятся ионы, содержащие азот, фосфор, кремний и железо. Меньшее значение имеют калий и кальций, а также сера и магний. В последнем, кроме животных, огромную потребность испытывают растения, так, как этот элемент совершенно необходим для биосинтеза хлорофилла. Действие солей усиливается с повышением температуры, что связано с возрастанием интенсивности обменных процессов. Роль же кальция, как и анионов карбоната, к тому же, велика для тех живых организмов, которые имеют известковые раковины или скелеты, например, моллюсков и коралловых полипов.

Другое значение минеральных ионов связано с влиянием на солевой состав гидробионтов (диффузия через их наружные покровы). Одной из основных проблем всех водных обитателей, независимо от сложности их организации, является регуляция осмотического давления. Осмотическое давление развивается в результате диффузии молекул воды через полупроницаемую мембрану живых клеток. В его основе лежит свойство мембран избирательно пропускать молекулы одних веществ и задерживать молекулы других. При разной концентрации солей по обе стороны мембраны, например, внутри клетки и вне её, диффузия молекул воды в область большей концентрации солей возрастает.

По способности поддерживать на постоянном уровне свое внутреннее осмотическое давление водные живые организмы принято подразделять на пойкилосмотические и гомойосмотические.

Пойкилосмотические организмы – это водные организмы, не способные сохранять более или менее постоянное осмотическое давление полостных и тканевых жидкостей при изменении солёности воды. Осмотическое давление внутренней среды у них равно внешнему или немного выше его. Из растений, пойкилосмотическими организмами являются водоросли. К пойкилосмотическим животным относятся низшие беспозвоночные, двустворчатые моллюски, многие кольчатые черви, иглокожие и др. Пойкилосмотические животные не способны поддерживать осмотическое давление ниже, чем во внешней среде. Они могут быть стеногалинными или эвригалинными. У эвригалинных пойкилосмотических животных внутреннее осмотическое давление изменяется в широких пределах параллельно изменению солёности во внешней среде.

Гомойосмотические организмы – водные организмы, обладающие способностью сохранять более или менее постоянное осмотическое давление полостных и тканевых жидкостей, отличное от осмотического давления во внешней среде. Подавляющее большинство высших водных растений являются гомойосмотическими. Примером гомойосмотических животных являются многие пресноводные беспозвоночные. Они поддерживают осмотическое давление, выводя излишнюю воду из организма с помощью выделительных органов. Другой пример гомойосмотических животных – костистые рыбы; те из них, которые живут в морях, поддерживают более низкое по сравнению с внешней средой осмотическое давление крови и тканевой жидкости, выделяя через почки относительно небольшое количество мочи, а через жабры – избыточное количество солей; костистые рыбы, обитающие в пресных водах, наоборот, удерживают более высокое по сравнению с внешней средой осмотическое давление, выделяя много мочи, а через жабры поглощая соли.

Некоторые животные (например, рачки-бокоплавы) в пределах изменений солёности внешней среды, которые они способны переносить, гомойосмотичны при низкой солёности, но становятся пойкилосмотичными при высокой.

Соленость воды – фактор, ограничивающий распространение многих водных организмов. Целые крупные систематические группы, такие, как бурые водоросли среди растений или иглокожие среди животных, представлены практически исключительно морскими видами. Другие же организмы смогли освоить и пресные воды, для чего выработали целый ряд приспособлений. Так как концентрация растворимых веществ и белков в клетке больше, чем в пресной воде, пресноводные организмы вынуждены проделывать огромную работу по удалению избытка проникающей в их тело воды. Поэтому, например, пресноводные рыбы обладают по сравнению с морскими более сильно развитыми почками, обеспечивающими удаление избытка воды из организма. Моча этих животных содержит меньше солей, чем кровь и тканевые жидкости.

Эти различия в физиологии приводят к тому, что, как правило, вид или популяция может жить либо только в пресной, либо только в морской воде. Поэтому соленые водоемы имеют свою характерную флору и фауну, а пресные водоемы – свою. При изменении солености воды растительность и животный мир сильно изменяется, что хорошо видно на примере огромного солоноватого озера – Аральского моря. В XX веке, с развитием орошаемого земледелия и уменьшением стока рек Сырдарьи и Амударьи это озеро начало интенсивно высыхать, сокращая свои площадь и объем воды. В результате концентрация солей в воде стала возрастать. Последствия осолонения воды начали сказываться на фауне Аральского моря с середины 1970-х годов, когда соленость воды в море достигла 12–14 ‰. Именно эта соленость в Аральском море является барьером критической солености, разделяющим два главных типа фаун – пресноводную и морскую. Поэтому повышение солености воды всего на 2–4 ‰ вызвало кардинальные перестройки в фауне моря. Пресноводные эвригалинные виды и пойкилосмотические акклиматизированные каспийские виды, вымерли, а массовое развитие получили эвригалинные виды морского происхождения и солелюбивые виды материковых вод. Следующее сокращение видового состава наблюдалось при солености 24–28 ‰, когда выпали солоноватоводные виды и гомойосмотические каспийские виды.

В силу жестких требований к работе выделительной и других систем, для водных организмов обыкновенна специализация к обитанию в воде с определенной соленостью, то есть стеногалинность. Именно стеногалинные формы преобладают, например, среди обитателей Мирового океана.

Наименее благоприятны для жизни водоемы с промежуточным уровнем солености. Часто лишь незначительные сдвиги в концентрации солей в воде сказываются на распределении близкородственных видов. Численность обитателей солоноватых вод очень велика, но их видовой состав беден, поскольку здесь могут жить только эвригалинные виды как пресноводного, так и морского происхождения. Например, озеро с соленостью, изменяющейся от 2 до 7%₀, населяют пресноводные рыбы, такие как карп, линь, щука, судак, хорошо переносящие небольшую соленость, и морские, например кефаль, которые терпимо относятся к недостаточной солености.

Еще одно значение фактора солености состоит в том, что с повышением солености воды возрастает ее плотность и вязкость, что, как мы выяснили на предыдущих лекциях, существенно сказывается на плавучести водных организмов и условия их движения. Возможно, именно с этим обстоятельством связаны отмечавшиеся для некоторых видов эвригалинных организмов закономерные изменения внешнего облика при изменении солености воды, в которой они обитают.

Кислотно-щелочной баланс (pH) воды

Другим важным гидрохимическим фактором, который надо обязательно обсудить, является соотношение между присутствием в воде катионов водорода H⁺ и анионов гидроксила OH^- – кислотно-щелочной баланс. Вообще говоря, вода имеет химическую формулу H₂O, но еще из школьного курса химии вам должно быть известно, что благодаря процессу диссоциации даже в дистиллированной воде присутствуют в определенной концентрации ионы водорода и гидроксила. Нейтральная вода обладает концентрацией водородных ионов 10^-7 граммов на литр и ровно такой же концентрацией анионов гидроксила. Содержание катионов водорода называют водородным показателем, или показателем pH, который отражает степень кислотности воды. Для наглядности пишут только логарифм водородного показателя без отрицательного знака, то есть просто "7". pH измеряется в пределах от 1 до 14. В кислой воде этот показатель ниже, чем 7; в щелочной выше, чем 7.

В зависимости от кислотности вода классифицируется следующим образом (это один из вариантов классификации): pH 1-3 – сильнокислая вода; pH 3-5 – кислая вода; pH 5-6 – слабокислая вода; pH 6-7 – очень слабокислая вода; pH 7 – нейтральная вода; pH 7-8 – очень слабощелочная вода; pH 8-9 – слабощелочная вода; pH 9-10 – щелочная вода; pH 10-14 – сильнощелочная вода.

Кислотность поверхностной морской воды составляет 8,2 ± 0,3 (в зависимости от географической точки и сезона). В природных пресных водах pH изменяется от менее 3,0 у сильнокислых до 6,5-7,5 у нейтральных и более 9,5 у сильнощелочных. Значение pH в речных водах обычно варьирует в пределах 6,5-8,5, в незагрязненных атмосферных осадках около 5,6, в болотах 4,5-6,0. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина pH для большинства речных вод составляет 6,8-7,4, летом 7,4-8,2, то есть летом вода становится более щелочной. Это обусловлено жизнедеятельностью водных организмов и другими причинами.

Кислотность природных вод определяется характером почвы, грунтов, местности. Пониженное значение рН характерно для болотных вод за счет повышенного содержания гуминовых и др. кислот. Загрязнения, придающие воде повышенную кислотность, возникают при “кислотных” дождях, попадании в водоемы неочищенных стоков промышленных и с/х предприятий. Даже обычный дождь в экологически чистой местности имеет подкисленную реакцию рН = 5,6-6,0 за счет частичного растворения углекислого газа атмосферы.

Для северо-западного региона России из-за большого количества верховых болот, заросших сфагновыми мхами, характерны именно водоемы с кислой реакцией воды. В небольших водоемах на сфагновых болотах рН воды может составлять до 3,4. В тех областях, где есть мощные залежи известняков или мела (например, в Белгородской и других областях юга Европейской части России), природные воды имеют щелочную реакцию. pH зависит также от интенсивности газообменных процессов в водоемах, связанных с процессами дыхания и фотосинтеза водных организмов. Так, в ходе активного фотосинтеза в водоеме реакция его воды может становиться более щелочной (до рН=10) из-за исчерпания запасов углекислоты. В течение ночи, когда фотосинтез не происходит, а все водные организмы продолжают дышать и насыщать воду углекислотой, рН снова снижается. Размах таких суточных колебаний кислотности обычно не превышает двух единиц рН. Относительная устойчивость величины pH в водоемах зависит от буферных свойств их воды, что определяется составом растворенных в ней веществ. Значительную роль в обеспечении относительно стабильной кислотности пресных вод играет их карбонатная система. Углекислый газ не только растворяется в воде, но, вступив в реакцию с ней, образует слабую кислоту H₂CO₃. Присутствие в воде солей усиливает её буферные свойства, в связи с чем одинаковое подкисление мягкой и жёсткой воды вызовет в первом случае значительно более заметный сдвиг pH. Ещё более сильными, чем у жёсткой воды, буферными свойствами, или, как говорят, ещё большей буферной ёмкостью, обладает морская вода.

Для грубого определения кислотности воды используют химические индикаторы, изменяющие цвет в зависимости от pH пробы воды. К таким индикаторам прилагаются специальные цветовые шкалы, при сравнении с которыми и определяют pH. Для получения более точных результатов используют pH-метры на основе ионоселективных электродов.

Роль pH для живых организмов определяется в первую очередь его влиянием на активность ферментов и состояние других белковых молекул. Кроме того, поскольку большинство реакций в клетках протекает в водной среде, избыток или недостаток ионов может существенно влиять на протекание также различных неферментативных реакций. Поэтому pH имеет важное общебиологическое значение и его величина имеет большое витальное значение. Например, pH крови человека поддерживается в пределах 7,35-7,47, pH большинства тканевых жидкостей организма поддерживается на уровне 7,1-7,4. Значения pH крови, выходящие за указанные пределы, свидетельствуют о существенных нарушениях в организме, а значения ниже 6,8 и выше 7,8 несовместимы с жизнью. В то же время, когда мы говорим о водных организмах, у них стоит проблема разницы парциальных осмотических давлений ионов водорода и гидроксила внутренней и внешней среды. Помимо общих механизмов осморегуляции, в регуляции pH внутренней среды таких организмов участвуют буферные системы их внутренних жидкостей.

Помимо прямого действия на живые организмы, кислотность воды может оказывать и значительное косвенное действие на них. От ее величины зависит уровень диссоциированности и растворимость многих химических веществ, небезразличных для живых организмов. Примером могут послужить аммиак и аммоний. Как мы уже говорили, в основном, большинство водных животных выделяет излишки азота в виде аммиака. На самом деле часть этого аммиака представляет собой ионы аммония (NH₄⁺), а часть просто растворена (NH₃). То же относится и к аммиаку, образующемуся при разложении в воде мертвого органического вещества. Аммиак в растворе превращается в аммоний, присоединив к себе ион водорода, аммоний превращается в аммиак, отдав ион водорода. Чем больше в воде свободных ионов водорода (т.е. чем ниже pH), тем больше в ней будет аммония и меньше аммиака, и наоборот. Токсичность аммония намного ниже, чем у аммиака. Следовательно, при высоком pH проблема аммиачного отравления существенно выше, чем при низких pH.

Величина pH определяет также доступность двуокиси углерода для живых организмов, так как изменяет соотношение между содержанием в воде анионов карбонатов и гидрокарбонатов и растворенного CO₂.

Таким образом, вполне закономерно, что роль pH воды в жизни водных организмов исключительно велика. Так, в сильнокислой воде с pH 3.0-3.5 рыбы вообще не выживают, а могут существовать только некоторые растения и беспозвоночные. pH более 10.5 также смертелен для всех видов рыб. Наилучшим образом рыбы выживают при значениях водородного показателя в пределах 5.0-9.0. При рН ниже 5 можно наблюдать их массовую гибель, хотя отдельные виды приспосабливаются и к среде, значение рН которой доходит до 3,7. При pH > 5,5 в пресных водоемах также начинает уменьшаться видовое разнообразие живых организмов.

Поскольку величина pH в различных водоемах весьма различна, а живые организмы стремятся занять все доступные им местообитания и в ходе эволюции адаптируются к их условиям, разные виды водных живых организмов имеют разные требования к величине кислотности воды, соответствующие условиям их обитания. В силу этого видовой состав обитателей водоемов зависит от величины pH воды. Например, кислые воды торфяников способствуют развитию сфагновых мхов, но в них совершенно нет двустворчатых моллюсков-перловиц. Чрезвычайно редки в них и другие виды двустворчатых моллюсков, что связано с отсутствием в воде извести. Диатомовые водоросли в зависимости от видовой принадлежности также приурочены к водам с определенной кислотностью. Так как остатки этих водорослей в многолетних донных отложениях хорошо поддаются идентификации до вида, изучение видового состава диатомей в этих отложениях позволяет реконструировать многолетние изменения pH водоема.

Blog

Растворенные минеральные соли. Соленость и жесткость

Содержание

Растворенные минеральные соли. Соленость и жесткость

Ж =

20,04

12,16