Вещества, содержащиеся в природной воде

Природная вода существует не в виде химического соединения, состоящего из водорода и кислорода, а представляет собой сложное тело, в состав которого помимо молекул воды входят разнообразные вещества. наибольшее экологическое значение для водного населения имеют степень насыщения воды различными газами, концентрация ионов минеральных солей, органических веществ, состав и концентрация взвешенных веществ.

Газы. Количество отдельных газов, присутствующих в воде, зависит от их природы, парциального давления в атмосфере и состояние самой воды (ее температуры и солености).

Наибольшее значение для водного населения имеют кислород, углекислый газ, сероводород и метан.

Рассмотрим состав газов Ивано-Арахлейских озер, расположены на юге Витимского плоскогорья, между Яблоневым хребтом и отрогами хребта Цаган-Хуртей. Располагаются они цепочкой по дну долины на высоте около 1000 м. Для района характерны более суточные и сезонные колебания температур, высокий уровень радиации, преимущественно прямой. Озера разнообразные по морфометрии, трофическим типам и биологической продуктивности.

Вода в озерах гидрокарбонатно-кальциевая. Биологическая продуктивность озер возрастает от оз. Арахлей к оз. Иргень, также увеличивается и содержание в воде органических веществ.

В малоснежные годы (1966-1972) озера отличаются высокой интенсивностью продуктивных процессов в течение всего года, отсутствие зимнего трофолитического перехода и кислородных заторов. В многоснежные годы (1975-1980) лимич. режим озер Забайкалья мало отличался от такового в других географических регионах: дютосинт. Процессы прекращались, когда последовательно освещенность снижалась до 1% от поверхностной, трофолитический период длился с декабря по март, наблюдались кислородные заторы. В мелководных озерах до 3-5 м глубиной, запас О2 подо льдом быстро исчерпывается и уже в феврале наблюдается его дефицит. Поэтому в многоснежные годы (1972-1979), когда снег снижает энергию фотосинтеза водорослей, в озерах, богатых органическими веществами и характеризующиеся малыми глубинами, наблюдались заторы рыб.

Озеро Иргень. Интенсивность газоотделения в центре озера в августе и сентябре ниже, чем на прибрежных станциях, в феврале-апреле наоборот.

На центральной станции оз. Иргень газ азотно-метановый. Только в июле-августе 1974 г. отмечено преобладание метана над азотом. В снежную «заторную» зиму 1973 г. содержание О2 в пробах газа, отобранных во вторую половину последнего периода, было ниже, чем в 1970-1972 гг.

Во второй половине последнего периода (февраль-апрель) состав газа изменяется: свыше 93% составляет азот, мало метана и углекислоты. Отмечен и О2. его присутствие, по-видимому, связано с последним фотосинтезом микрофитобентоса. Обнаружено, что понижение содержания углекислоты сопровождалось увеличением концентрации О2. содержание водорода на этой станции дважды только превысило 1%. Это наблюдалось в 1972 г. – в пробе, отобранной в феврале-марте, его содержалось 1,17, а марте-апреле – 1,59%. Содержание О2 в этих пробах было высоким: 20,45 и 12,52%.

Значительная часть растворенного в воде О2 расходуется на окисление метана, что нередко приводит к массовым заторам рыб.

По-видимому, причиной изменения интенсивности данного газоотделения явился подъем уровня воды в оз. Иргень с 1967 г. по 1933 г. и его влияние на характер зарастания озера водной растительностью.

Озеро Иван. На центральной станции озера газоотделение настолько слабое, что в 1971-1973 гг. не удалось собрать ни одного образца газа. На меньших глубинах отмечено более интенсивное газоотделение.

У северо-западного берега озера наиболее интенсивное выделение газа отмечено в августе-сентябре 1971 г. газ азотно-метановый, содержание метана в пробе больше в период открытой воды и меньше в конце зимы. В последнем случае наблюдалось высокое содержание О2. несмотря на снежную зиму 1972-73 гг.

Отношение метана к азоту изменялось в следующих пределах: центр 0,33-1,76, прибрежье 0,05-1,54, отношение СО2 к азоту: центр 0,001–0,02, прибрежье 0,002-0,1.

Озеро Арахлей. На центральной станции озера данное газоотделение не зафиксировано ни летом, ни зимой. Несмотря на крайне замедленное газоотделение и здесь прослеживается сезонная динамика. Высокое содержание метана (62,84%) обнаружено в пробах, собранных с августа по декабрь. В пробах газа, собранных с декабря по май, более 96% составляет азот, метан – более 1%.

Таким образом, морфометрия озер, глубина воды, неполнота продукции органических остатков в водной толще определяют характер накопления органических веществ в осадках озер. Общая численность микробиальных сообществ обуславливали интенсивность процессов газоотделения и соответствуют трофности озер. Большое значение имеет температура воды и грунта, обнаружены сезонные изменения количества и состава данных газов во всех изученных озерах.

Ионы минеральных солей. Значение минеральных ионов в жизни годробионтов многогранно. Одни из них, получившие название биогенов, необходимы растительности для обеспечения процессов биосинтеза. К таким биогенам, лимитирующим рост и развитие гидробионтов относятся ионы, содержащие азот, фосфор, кремний, железо. Другое значение минеральных ионов связано с влиянием на солевой состав гидробионтов.

Немаловажное значение для водных организмов имеет концентрация Са 2+ Mg 2+ суммарное содержание которых определяет жесткость воды, которая является необходимым условием для существования гидробионтов с известковым скелетом (моллюски, кокколитофориды, кораллы и др.). Суммарную концентрацию всех минеральных ионов, имеющихся в воде, обозначают как соленость.

Виды, выносящие значительные колебания солености, называются эвригалийными в отличие от стеногалийных, не выдерживающих больших изменений концентрации солей. К эвригалийным относятся рачки Chyclovus iphaericus, леснечатый червь Macrostoma hustris и инфузория Plluronema chrysalis, способные жить в солоноватой, пресной и морской воде.

Взвешенные вещества подразделяют условно на взмученный грунт, содержащий небольшое количество органического вещества, и дендрит, в котором его сравнительно много.

Присутствие в воде больших количеств взвеси может ухудшать условия фотосинтеза. Неблагоприятное действие она оказывает на животных, так как при оседании захоранивает организмы, обитающие в грунте, и нарушает питание гидробионтов-фильтратов. Например, данная фауна очень мутной реки Риони по сравнению с прозрачными реками Кавказа в 2-3 раза беднее по числу видов в 200-250 раз – по количеству организмов. Крайне бедны реки Сырдарья, Амударья и многие другие, отличающиеся высокой мутностью.

Определение временной или карбонатной жесткости воды

Жесткость подразделяют на постоянную и временную, она же карбонатная, она же устранимая жесткость связана с присутствием в воде наряду с Ca 2+ и Mg 2+ гидрокарбонатных или бикарбонатных анионов (HCO3 ). Временную жесткость можно устранить кипячением - отсюда и ее название. При кипячении воды гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с этими катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

Ca 2+ + 2HCO - 3 = CaCO3 ↓+ H2 O + CO2

Метод определения карбонатной жесткости путем титрования пробы воды соляной кислотой измеряют вовсе не жесткость так таковую, то есть не концентрацию Ca 2+ и Mg 2+. а щелочность - концентрацию в растворе гидрокарбонатных ионов.

Если строго следовать определению карбонатной жесткости, то ее корректное измерение должно быть основано на кипячении заданного объема воды с последующим взвешиванием образовавшегося осадка (накипи), но на практике это трудно выполнимо. Поэтому поступают иначе.

Определение карбонатной жесткости воды приводится путем ее титрования соляной кислоты. Титрование - добавление в исследуемую пробу раствора реагента, концентрация которого заранее известна. По расходу этого реагента - он взаимодействует с тем веществом, содержание которого хотят определить, рассчитывают концентрацию определяемого вещества. Для аквариумных нужд удобно пользоваться 0,05 M раствором соляной кислоты. А также необходим индикатор метиловый оранжевый, который нужен для того, чтобы установить момент окончания титрования.

Проведение анализа

Точно отмеряют 50 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель раствора метилового оранжевого.

При титровании в растворе произойдут следующие реакции:

Сравним это и приведенное выше уравнение, которое показывало, что происходит с гидрокарбонатами кальция при кипячении. Как и при кипячении конечными продуктами этих реакций являются вода и углекислый газ. Только кальций здесь участия не принимает, так как ионы водорода, которые образуются в растворе при добавлении туда HCl вступают в реакцию не с ионами кальция, а именно с гидрокарбонатными ионами.

Кислоту удобно набрать в шприц до отмеченного заранее деления и из него дозировано добавлять в раствор. Сначала порции кислоты могут быть большими, но к концу титрования надо быть аккуратным и осторожным. Цвет может поменяться даже от одной капли. Способность раствора реагировать с ионами водорода по мере добавления кислоты будет постепенно уменьшаться и, наконец окажется почти совсем исчерпанной - кончатся гидрокарбонатные ионы и последняя капля кислоты резко сместит рН, так как связывать возникающие при ее диссоциации в воде ионы водорода уже будет «некому». При величине рН меньшей 4 гидрокарбонатных ионов в растворе уже нет. Индикатор при этом значении рН изменит цвет раствора с желтого на оранжевый. Тут титрование надо прекратить. Лучше проделать эту процедуру несколько раз, точно засекая какой объем кислоты был израсходован. Затем вычислить средний объем пошедший на титрование кислоты. Зная этот объем рассчитывают карбонатную жесткость по формуле:

Жесткость карбонатная (мг-экв/л.) = (1000*Скислоты * Vкислоты ) / Vводы

Скислоты - концентрация кислоты в молях,

V кислоты - объем раствора кислоты, использованный при титровании (мл)

Vводы - объем пробы воды, взятой для титрования (мл.)

Если С кислоты = 0,05 M, а V воды = 50 мл, то жесткость карбонатная (мг-экв/л.) = (1000*0,05*V кислоты)/50 = V кислоты

То есть титрование 50 мл воды 0,05 M соляной кислоты, то в этом случае карбонатная жесткость в мг-экв./л. Будет численно равна объему кислоты (в мл.), израсходованному для титрования. Например, если на титрование ушло 1,5 мл. раствора кислоты, то карбонатная жесткость воды 1,5 мг - экв./л. Для перевода в градусы KH значение в мг-экв/л. Надо умножить на 2,804.

1,5*2,804 = 4,2 ºKH

На самом деле этим методом мы определили щелочность воды, то есть ее способность связывать ионы водорода, которые образуются при диссоциации в воде соляной кислоты.

Гидрокарбонатный ион может поступать в воду не только при растворении карбонатов кальция и магния, но и при растворении иных солей. Всем известная питьевая сода являет собой пример такого соединения NaHCO3. Если внести питьевую соду в аквариум, то растворившись она даст ионы натрия и гидрокарбоната. Гидрокарбонатные ионы присоединяют к себе ионы водорода, поэтому вода в аквариуме от внесения питьевой соды становится менее кислой или приобретает щелочную реакцию, но это зависит от дозы. Небольшие ее добавки застрахуют от неожиданных скачков рН. Решить достаточно соды внесено или нет можно измерив щелочность. Зная щелочность вы можете оценить насколько вода в аквариуме способна противостоять закислению, то есть оценить буферность. Если щелочность пресной воды низкая (менее мг/экв/л), то ее буферность невелика. Такая вода может резко скиснуть, например при неожиданной остановке фильтра. Интервал значений щелочности 1,2-2 мг-экв/л пригоден для большинства рыб и растений. Буферность воды при этом будет вполне достаточной для поддержания стабильной активной реакции воды рН. Обычно щелочность аквариумной воды как раз и оказывается в указанном интервале или даже имеет еще большие значения 3 мг-экв/л и выше (в этом случае возможны проблемы с выращиванием многих растений и нашествия водорослей). В регионах с мягкой слабокислой водой она может быть очень низкой. Если вносили в аквариум соду, чтобы поднять и стабилизировать рН, то не нужно удивляться если «карбонатная жесткость» вдруг превысит общую. Если вносили в воду аквариума NaHCO3. то есть не связанные с кальцием и магнием гидрокарбонатные ионы, то естественно их будет больше, чем ионов Ca 2+ и Mg 2+. Вот в этом и состоит суть парадокса, когда формула:

Общая жесткость = Постоянная жесткость + Временная жесткость не выполняется из-за того, что временная больше общей.