Strefa hipergeniczna II – strona 1

Strefa hipergeniczna II

Hydrogeochemia

Tematyka ćwiczeń.

• główne grupy oznaczanych składników chemicznych i parametrów fizykochemicznych wód, sposoby poboru i utrwalania

próbek

• kryteria klasyfikacji i oceny jakości wód (powierzchniowych, podziemnych, pitnych, mineralnych)

• sposoby prezentacji i oceny jakości wyników analiz chemicznych wód (diagramy Pipera, Stiffa, Udlufta, bilans ładunku, błąd

analizy)

Woda jest jedną z najważniejszych substancji wykorzystywanych przez człowieka. Poza oczywistą podstawową funkcją –

wody pitnej, jest stosowana na wiele innych sposobów, np. w hodowli ryb, w basenach, w przemyśle etc. Każde z tych zastosowań

wymaga wody o odpowiedniej jakości, regulowanej stosownymi rozporządzeniami prawnymi. Jakość wody jest oczywiście przede

wszystkim związana z jej składem chemicznym, ale nie tylko – ważne są też inne czynniki, np. woda pitna lub wykorzystywana w

kąpieliskach nie może być zanieczyszczona biologicznie, czy zbyt mętna, stosowana w przemyśle musi mieć odpowiednią

temperaturę itd. Niespełnienie tych wymogów nie musi być związane z niekorzystnym wpływem działalności człowieka, często jest

wynikiem procesów naturalnych.

Na skład chemiczny wód powierzchniowych i podziemnych wpływ ma szereg różnorodnych czynników. Należą do nich:

rzeźba terenu, klimat, geologia rejonu, oraz działalność organizmów wodnych i człowieka. Ponieważ woda przepływając wśród skał,

może reagować z ich składnikami, wśród czynników czysto geologicznych najważniejszy jest właśnie rodzaj skał występujących w

danym rejonie. Np. wody na obszarach zdominowanych przez skały węglanowe zawierają duże ilości wapnia i magnezu, są więc

„twarde” (zwykle smaczniejsze, ale nie najlepiej nadające się do np. prania i powodujące wytrącanie się „kamienia”, czyli CaCO

3

w

wannach czy na grzałkach czajników elektrycznych), a ich pH jest zazwyczaj wysokie. Wody drenujące masywy kwaśnych skał

magmowych są słabiej zmineralizowane (bo kwaśne skały stosunkowo wolno wietrzeją), a wśród kationów jest względnie dużo sodu

i potasu (z wietrzejących skaleni). Wody na obszarach torfowiskowych są kwaśne i zawierają dużo substancji organicznych itd.

Tabela. 1. Ogólna charakterystyka wód podziemnych związanych z obszarami występowania różnych skał.

rodzaj skał mineralizacja

dominujące jony

pH

zawartość SiO

2

granity, ryolity

niska

Na

+

, HCO

3

-

6,3-7,9

średnia-wysoka

gabra, bazalty

średnia Ca

2+

, Mg

2+

, HCO

3

-

6,7-8,5 wysoka

piaskowce wysoka

Ca

2+

, Mg

2+

, Na

+

, HCO

3

-

5,6-9,2 niska-średnia

mułowce, iły wysoka

Na

+

, Ca

2+

, Mg

2+

. HCO

3

-

SO

4

2-

Cl

-

4,0-8,6 niska-średnia

wapienie, dolomity, margle

wysoka

Ca

2+

, Mg

2+

, HCO

3

-

7,0-8,2 niska

łupki metamorficzne, gnejsy niska-średnia

HCO

3

-

, Ca

2+

, Na

+

5,2-8,1 niska

Aby ocenić przydatność wody do określonego celu trzeba zbadać jej skład chemiczny oraz parametry fizykochemiczne i

pewne inne właściwości. Do najważniejszych parametrów fizykochemicznych wody należą temperatura, pH, Eh, przewodność

elektrolityczna, obecność zawiesin, barwa i zapach. Znaczenie pH i Eh zostało omówione w poprzednim konspekcie. Bardzo

użytecznym parametrem, pozwalającym szybko otrzymać użyteczne informacje o wodzie jest przewodność elektrolityczna

właściwa. Za przewodzenie prądu elektrycznego w roztworach wodnych odpowiada przepływ jonów. Jak pamiętamy, czysta

chemicznie woda prawie nie dysocjuje, zatem za zdolność do przewodzenia prądu będzie odpowiadała obecność jonów. Im większe

są stężenia kationów i anionów, tym więcej nośników ładunku, a więc tym mniejsza oporność elektryczna i, co za tym idzie, większe

przewodnictwo. Zatem pomiar przewodności od razu informuje nas o tym czy woda jest słabo czy silnie zmineralizowana. Jednostką

przewodnictwa jest odwrotność ohma – siemens (1 S = 1/

Ω). Jest to bardzo duża jednostka, w związku z tym posługujemy się

zwykle jej podwielokrotnościami – przewodność wody podaje się w mS/cm lub w

µS/cm. Nie ma niestety jednoznacznego

przełożenia przewodności na mineralizację, gdyż wpływa na to wiele różnych czynników. Często przyjmuje się, że przewodność

Strefa hipergeniczna II – strona 2

mierzona w

µS/cm jest mniej więcej równa sumie rozpuszczonych w wodzie kationów i anionów (w mg/dm

3

), co z kolei można w

wielu przypadkach sprowadzić do mineralizacji wody. Inna podawana zależność ma postać:

ΣA = ΣK (w meq/dm

3

) ~ przewodnictwo/100 (w

µS/cm)

Obecność w wodzie zawiesin związana jest z unoszonymi przez nią cząstkami mułu, iłu oraz różnych organicznych i

nieorganicznych substancji koloidalnych. Najdrobniejsze zawieszone w wodzie cząstki wpływają na jej mętność. Parametr ten

wyznacza się porównując badaną wodę z odpowiednio przygotowanymi roztworami zawierającymi zawiesinę koloidalnej

krzemionki i stąd jego wartość podaje się w mg SiO

2

/dm

3

.

Barwa naturalnej wody może być lekko żółtawa, co wiąże się z obecnością rozpuszczonych kwasów organicznych. Mierzy

jest kolorymetrycznie, poprzez porównanie próbki ze skalą wzorców otrzymanych przez rozpuszczenie związków platyny i kobaltu.

Dlatego wynik podawany jest w mg Pt/dm

3

. Z kolei zapach określa się organoleptycznie, oceniając jego charakter (np. roślinny,

gnilny, specyficzny) i moc (np. słabo wyczuwalny, bardzo wyraźny etc.) lub krotność. Krotność oznacza stopień rozcieńczenia

próbki, przy którym zapach przestaje być wyczuwalny. Niektóre rodzaje zapachów – np. gnilne, specyficzne – wykluczają

możliwość wykorzystania wody do celów pitnych.

Składniki mineralne rozpuszczone w wodzie tworzą jej mineralizację. W sposób przybliżony ogólną mineralizację wód

wyznacza się na podstawie masy suchej pozostałości, czyli masy substancji pozostałych po odparowaniu wody (TDS – total

dissolved solids). Na podstawie mineralizacji ogólnej wody podziemne dzielimy na następujące grupy:

- wody

zwykłe (słodkie) – mineralizacja < 500 mg/dm

3

-

akratopegi (wody o podwyższonej mineralizacji) – mineralizacja 500-1000 mg/dm

3

-

wody mineralne (słone) – mineralizacja > 1000 mg/dm

3

.

Przy badaniu składu chemicznego wody ważne są dwie grupy składników. Główne kationy i aniony występują w

największych ilościach, decydując o mineralizacji wody oraz o jej typie hydrogeochemicznym. Z kolei składniki występujące w

podrzędnych lub nawet śladowych ilościach często warunkują możliwość wykorzystania wody do określonego celu – np. jako wody

pitnej. Głównymi kationami występującymi w wodach śródlądowych są Ca

2+

, Mg

2+

, Na

+

i K

+

, natomiast podstawowe aniony to

HCO

3

-

, SO

4

2-

i Cl

-

(zwykle, choć nie zawsze w takiej kolejności).

W podrzędnych ilościach pojawiają się w wodach związki azotu i fosforu. Mają one jednak bardzo duży (korzystny lub

niekorzystny) wpływ na jakość wody, gdyż są niezbędnymi biopierwiastkami wykorzystywanymi przez organizmy wodne, a zatem

wpływają na ich rozwój. Podstawowymi formami, w jakich te pierwiastki występują w wodach są następujące jony: NO

3

-

, NO

2

-

,

NH

4

+

i PO

4

3-

. Ich nadmiar związany np. ze spłukiwaniem do wód nadmiernych ilości nawozów, może prowadzić do eutrofizacji

zbiorników. W przypadku azotu, proporcje różnych jego form pozwalają niekiedy wnioskować o źródłach zanieczyszczenia wód.

Ogólnie przyjmuje się, że w wodach gruntowych zanieczyszczonych odpadami bytowymi bądź hodowlanymi obecność jonów

amonowych, przy braku azotanów i azotynów, wskazuje na zanieczyszczenie świeże, pochodzące z bliskiego ogniska.

Współwystępowanie wszystkich form mineralnych azotu wskazuje na trwałe zanieczyszczenie. Występowanie jedynie azotanów,

przy nieznacznej domieszce azotynów wskazuje na odległe w czasie lub przestrzeni zanieczyszczenie wód podziemnych.

Pozostałe nieorganiczne jony naturalnych wód to mikroskładniki – pojawiają się w stężeniach rzędu ułamków mg/dm

3

do

kilku mg/dm

3

. Należą do nich m.in. Sr

2+

, Ba

2+

, Fe

2+

, Mn

2+

, B

3+

, Al

3+

, Zn

2+

, Cu

2+

, Li

+

, F

-

, Br

-

, I

-

. W jeszcze mniejszych ilościach

występują szczególnie toksyczne pierwiastki, jak As

3+

, As

5+

, Cr

6+

, Cd

2+

, Hg

+

.

Pamiętamy, że w wyniku procesów hydrolizy krzemianów powstaje koloidalna krzemionka lub kwas krzemowy. Można

zatem spodziewać się obecności znacznych ilości Si w wodach – często rzędu kilkudziesięciu a nawet kilkuset mg SiO

2

/dm

3

.

Koncentracje i formy, w jakich krzem występuje zależy od wielu czynników, takich jak pH, temperatura czy stężenia innych jonów

(głównie fluorków).

Badając jakość wód powierzchniowych, czy podziemnych nie można zapomnieć o substancji organicznej, gdyż bardzo

często to właśnie ona jest głównym czynnikiem zanieczyszczającym. Pod tym pojęciem rozumiemy zarówno mikroorganizmy

obecne w wodach, jak również produkty ich metabolizmu oraz rozkładu, a także różnorakie substancje pochodzenia

antropogenicznego. Do tych ostatnich należą np. fenole, węglowodory aromatyczne (BTX – benzen, toluen, ksylen),

wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), pestycydy i inne. Ze względu na trudności analityczne oraz tak szeroki

Strefa hipergeniczna II – strona 3

wachlarz możliwych substancji, bardzo często szacuje się stopień zanieczyszczenia wód substancjami organicznymi w sposób

uproszczony, wprowadzając pewne umowne wskaźniki. Należą do nich ogólny węgiel organiczny, oraz chemiczne i biochemiczne

zapotrzebowanie na tlen.

Ogólny węgiel organiczny (OWO, albo TOC – total organic carbon) to stężenie węgla organicznego (czyli zawartego we

wszystkich związkach organicznych w wodzie). Podczas jego oznaczania, w celu wyeliminowania węgla nieorganicznego (TIC –

total inorganic carbon) próbkę wody zakwasza się, ponieważ powoduje się tym samym usunięcie węglanów, w głównej mierze

odpowiadających za węgiel nieorganiczny. Wartości OWO wahają się w bardzo szerokich granicach, dochodząc w szczególnych

przypadkach do kilkuset mg/dm

3

.

Chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT, albo COD – chemical oxygen demand) oznacza ilość mocnego utleniacza

(dwuchromianu potasu K

2

Cr

2

O

7

lub manganianu(VII) potasu KMnO

4

) niezbędną do rozkładu substancji organicznych występujących

w wodzie. Parametr ten wyznacza się miareczkując próbkę wody dwuchromianem lub nadmanganianem w obecności kwasu

siarkowego i katalizatora, a wynik podaje się w przeliczeniu na tlen cząsteczkowy, czyli w mg O

2

/dm

3

. Aby oszacować ilość

mikroorganizmów w wodzie określa się jeszcze jeden wskaźnik – biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT albo BOD –

biochemical oxygen demand). Idea określania tego wskaźnika opiera się na spostrzeżeniu, że organizmy wodne zużywają

rozpuszczony w wodzie tlen. Zatem jego ilość powinna z czasem maleć. Oznaczenie jest dwuetapowe. Mierzy się stężenie tlenu

rozpuszczonego w wodzie przed (tuż po pobraniu próbki).i po pięciodniowej (stąd zwykle BZT

5

) inkubacji w warunkach

laboratoryjnych w ciemności. W takich warunkach ubytek tlenu jest wynikiem zużywania go przez mikroorganizmy wodne. Np. jeśli

początkowe stężenie O

2

w wodzie wynosiło 8,3 mg/dm

3

, a po pięciu dniach spadło do 5,0 mg/dm

3

, to BZT

5

jest równe 3,3 mg/dm

3

.

Poza tlenem, woda zawiera rozpuszczone inne gazy, przy czym najważniejszym z nich jest CO

2

. Wody o znacznej

zawartości tego gazu (500-1000 mg/dm

3

) są nazywane wodami kwasowęglowymi, natomiast jeszcze silniej nasycone CO

2

(powyżej

1000 mg/dm

3

) noszą nazwę szczaw.

Bardzo istotne z punktu widzenia użytkowania wody, szczególnie do celów pitnych, są ponadto wskaźniki biologiczne, a

szczególnie stan bakteriologiczny. Biologiczna ocena jakości wody opiera się na fakcie, że skład i właściwości wody wpływają na

rodzaj i liczebność zamieszkujących ją organizmów. Zwykle wykorzystuje się do tego celu tzw. gatunki wskaźnikowe, które dzieli się

na trzy główne grupy:

-

saprokseniczne – występują tylko w wodach czystych, a unikają zanieczyszczonych

-

saprofilne – występują w wodach czystych, ale w zanieczyszczonych masowo

-

saprobiontyczne – występują tylko w wodach zanieczyszczonych

Zatem badając populacje biologiczne w wodach poprzez szacowanie liczebność i proporcji gatunkowych, można

wnioskować o stanie czystości wód.

Spośród wskaźników mikrobiologicznych, wskazujących na stan bakteriologiczny wody, najczęściej stosuje się ilość

pałeczek okrężnicy (Escherichia coli) w określonej objętości próbki. Można ją też podawać jako miano coli, czyli najmniejszą

objętość wody (w cm

3

), na jaką przypada jedna bakteria okrężnicy.

Sposoby poboru i utrwalania próbek wód

Przy pobieraniu próbek wód do analiz chemicznych i fizykochemicznych musimy zdawać sobie sprawę z faktu, że

właściwości wody ulegają bardzo szybkim zmianom. Zmiany te mogą być związane m.in. z takimi zjawiskami jak:

- zużywanie niektórych składników pokarmowych przez bakterie, glony itp., wydzielanie produktów metabolizmu, reakcje

fotosyntezy;

-

utlenianie organiki, Fe(II), siarczków;

- wytrącanie niektórych składników (CaCO

3

, Fe(OH)

3

, Mg

3

(PO

4

)

2

etc.);

- ulatnianie

się niektórych składników (O

2

, H

2

S, CN

-

, Hg, związków organicznych);

- adsorpcja

CO

2

z powietrza –zmiana pH, przewodnictwa, zawartości CO

2

etc.;

- adsorpcja

na

ściankach naczyń lub zawiesinach;

Strefa hipergeniczna II – strona 4

Z tego względu niektóre oznaczenia powinno wykonywać się od razu, w terenie. Dotyczy to m.in. temperatury, pH, Eh,

przewodności, rozpuszczonego tlenu. W innych przypadkach można wodę analizować po przetransportowaniu do laboratorium, ale

wymaga to odpowiedniego sposobu poboru, przechowywania a w wielu przypadkach również tzw. utrwalania próbek. Zapobieganie

zmianom składu i właściwości próbek obejmuje:

-

odpowiedni dobór i przygotowanie przyrządów i naczyń (np. nie można przechowywać w naczyniach szklanych próbek do

oznaczania śladowych zawartości Si, Al, Na, B, a w plastikowych próbek, w których oznaczane będą niektóre składniki

organiczne – np. WWA);

- sączenie w przypadku próbek przeznaczonych do badania składników rozpuszczonych;

- schładzanie/zamrażanie próbek (wstrzymuje to proces rozmnażania bakterii oraz sprzyja zatrzymaniu substancji lotnych w

próbce – pamiętamy, że rozpuszczalność gazów rośnie ze spadkiem temperatury)

- całkowite napełnianie naczyń – czyli bez powietrza (ogranicza to wstrząsy w trakcie transportu, zapobiega wymianie

składników z powietrzem, spowalnia reakcje redoksowe)

- dodawanie

odpowiednich

środków utrwalających

Rodzaj dodawanych środków utrwalających zależy od tego, jakie oznaczenia chcemy wykonać. Bardzo często może się

więc okazać, że do laboratorium przywozimy kilka różnych naczyń zawierających próbkę tej samej wody, ale utrwaloną w różny

sposób. Do najczęściej stosowanych „utrwalaczy” zaliczamy:

- stężone kwasy (gł. HNO

3

, H

2

SO

4

– oznaczanie metali, N-NH

4

, N

org

, ChZT, fenoli); HNO

3

utrzymuje metale w stanie

rozpuszczonym, H

2

SO

4

działa jako bakteriocyd i tworzy siarczany z lotnymi zasadami (aminy, amoniak);

-

chloroform (oznaczanie N-NO

3

, N-NO

2

, detergentów anionowych, cukrów, WWA, zawiesin);

-

NaOH (oznaczanie CN

-

, fenoli lotnych); tworzy sole sodowe lotnych kwasów;

- HgCl

2

(bakteriocyd – do próbek zawierających biodegradowalne związki organiczne oraz różne formy azotu i fosforu).

Należy pamiętać, że utrwalenia próbki dokonuje się PO pomiarach wstępnych (pH, przewodnictwo itd.)!!. Warto również

podkreślić, że utrwalenie próbki wody pozwala jedynie na niewielką zwłokę w wykonaniu analizy. Większość składników powinno

się oznaczyć przed upływem 24 lub 48 h. Stosunkowo najodporniejsze na zmiany są (oczywiście przy odpowiednim utrwaleniu i

przechowywaniu próbki) tzw. metale ciężkie – w niektórych przypadkach dopuszcza się nawet kilkumiesięczny okres

przechowywania próbek.

Sposoby przedstawiania wyników analiz chemicznych wód

Analizy chemiczne wód przedstawia się w różnych jednostkach. Najczęściej stosuje się mg/dm

3

(mg/L) i

µg/dm

3

(

µg/L),

rzadziej w mg/kg czy

µg/kg. Dla wód mineralnych, zawierających duże ilości rozpuszczonych substancji, często ich ilość wyraża się

w g/dm

3

. W przypadku substancji o szczególnie niskich stężeniach (np. WWA) wykorzystuje się bardzo małe jednostki, jak ng/dm

3

.

Większość składników rozpuszczonych w wodach występuje w formie jonowej. Sumaryczny dodatni ładunek kationów

musi być równoważony przez sumaryczny ładunek ujemny anionów. Z tego względu, do celów prezentowania składu wód oraz ich

klasyfikacji, zawartość (stężenie) każdego kationu i anionu przedstawia się w formie równoważnikowej, uwzględniającej jego masę

molową i wartościowość.

Przykład 1.

Wyniki analizy chemicznej wody zestawione w mg/dm

3

przedstaw w mmol/dm

3

i mval/dm

3

.

Na

+

– 13,70

HCO

3

-

– 79,9

K

+

– 1,18

Cl

-

– 31,2

Ca

2+

– 42,50

SO

4

2-

– 39,0

Mg

2+

– 3,21

NO

3

-

– 1,3

1 mol Na ma masę 22,99 g, czyli 1 mmol Na to 22,99 mg. Zatem jeśli stężenie sodu w wodzie wynosi 13,70 mg/dm

3

, to z proporcji

otrzymujemy:

Strefa hipergeniczna II – strona 5

1 mmol Na – 22,99 mg
x mmol Na – 13,70 mg
x = 0,60 mmol
Stężenie sodu wynosi 0,60 mmol/dm

3

, a ponieważ sód jest kationem jednowartościowym więc 1 mmol = 1 mval, czyli 0,60

mmol/dm

3

= 0,60 mval/dm

3

.

W przypadku wapnia masa molowa wynosi 40,08 g, więc stężenie molowe Ca w tej wodzie to

1,06 mg/dm

3

. Ale wapń jest kationem dwuwartościowym, więc równoważnik jest dwukrotnie większy, czyli 1,06 mg/dm

3

× 2 = 2,12

mval/dm

3

.

W ten sposób przeliczamy wszystkie kationy i aniony otrzymując:

jon mg/dm

3

masa

molowa mmol/dm

3

ładunek mval/dm

3

Na

+

13,70 22,99 0,60

1

0,60

K

+

1,18 39,1 0,03

1

0,03

Ca

2+

42,50 40,08 1,06

2

2,12

Mg

2+

3,21 24,31 0,13

2

0,26

HCO

3

-

79,9 61,02 1,31

1

1,31

SO

4

2-

39,0 96,06 0,41

2

0,82

Cl

-

31,2 35,45 0,88

1

0,88

NO

3

-

1,3 62,00 0,02

1

0,02

Przedstawiając wyniki analizy chemicznej można od razu w prosty sposób sprawdzić jej poprawność. Ponieważ sumaryczny

dodatni ładunek kationów musi być równoważony przez sumaryczny ładunek ujemny anionów, więc suma (mili)równoważników

kationów powinna być (mniej więcej) równa sumie (mili)równoważników anionów. Wyraźna różnica pomiędzy tymi wartościami

może wynikać albo z błędu analitycznego (błędne oznaczenie któregoś ze składników), albo z faktu, że badana woda ma nietypowy

skład chemiczny – zawiera jakieś składniki, których rutynowo się nie oznacza. Ten drugi przypadek ma często miejsce przy

badaniach wód silnie zanieczyszczonych i ścieków.

Przykład 2

Na podstawie bilansu jonowego sprawdź poprawność analizy chemicznej wody z Przykładu 1.

Sumujemy stężenia równoważnikowe kationów i anionów:

ΣK = 0,60 + 0,03 + 0,26 + 2,12 = 3,01

ΣA = 0,88 + 1,31 + 0,82 + 0,02 = 3,03

Widać, że

ΣK ~ ΣA, ale lepiej to wyrazić obliczając błąd analizy (nie powinien on przekraczać 5%):

%

100

⋅

Κ

+

Σ

Κ

−

Σ

=

A

K

A

K

x

w naszym przypadku wynosi on:

x = (3,01+3,03)/3,01-3,03

⋅ 100% = - 0,3%

Czyli błąd analizy jest bardzo mały.

Strefa hipergeniczna II – strona 6

Graficzne sposoby prezentacji składu chemicznego wód

W celu szybkiego zorientowania się w typie hydrogeochemicznym danej grupy wód, ich składy chemiczne często

przedstawia się graficznie – na diagramach kołowych, słupkowych, trójkątnych i innych. Do najpopularniejszych i najczęściej

stosowanych sposobów takiej prezentacji należą diagramy Pipera, Stiffa i Udlufta.

Diagram Pipera składa się z trzech części – dwóch trójkątów i rombu (rysunek 1). Lewy trójkąt podaje względne proporcje

głównych kationów (Ca

2+

, Mg

2+

oraz sumy Na

+

i K

+

), prawy dotyczy anionów (HCO

3

-

+ CO

3

2-

, SO

4

2-

i Cl

-

). Punkty odpowiadające

proporcjom kationów i anionów rzutuje się następnie prostymi na diagram rombowy, uzyskując w ich przecięciu punkt projekcyjny

reprezentujący badaną wodę. Dla pełniejszego zobrazowania jej składu zwykle różnicuje się średnicę kółka w zależności od

mineralizacji wody.

Diagram Stiffa często stosuje się do przedstawiania składu chemicznego wód podziemnych w profilach pionowych. Na tym

wykresie pionową oś pomocniczą (przy profilu wyskalowaną jako głębokość otworu) przecinają cztery (najczęściej) równoległe osie,

dające w efekcie osiem półosi, na których nanosi się stężenia kationów (po lewej stronie osi pionowej) i anionów (po jej prawej

stronie). Zawsze tym samym osiom przyporządkowuje się określone jony, a stężenia, podobnie jak w diagramie Pipera nanosi się w

mval/dm

3

, przypisując pionowej osi pomocniczej stężenie zerowe. W oryginalnej wersji diagramu lewym półosiom przypisuje się

(idąc od góry): Na

+

+ K

+

, Ca

2+

, Mg

2+

i Fe

2+

, zaś prawym półosiom, odpowiednio, Cl

-

, HCO

3

-

, SO

4

2-

i CO

3

-

. Naniesione na półosiach

punkty stężeń łączy się ze sobą otrzymując nieregularny wielobok.

Strefa hipergeniczna II – strona 7

Diagram Udlufta jest wykresem kołowym, uwzględniającym nie tylko główne kationy i aniony, ale również substancje

gazowe rozpuszczone w wodzie. Przy jego sporządzeniu przyjmujemy, że pole koła wyraża sumaryczną ilość składników stałych i

gazowych zawartych w wodzie (M). W zależności od przyjętej skali wykresu, 1 mm

2

powierzchni koła może odpowiadać np. 1, 4, 9,

16 itd. mg/dm

3

sumy tych składników. Przyjmując jednostkową zależność 1 mg/dm

3

= 1 mm

2

otrzymujemy:

M =

Πr

2

stąd:

Π

=

M

r

gdzie:

M – łączna masa składników stałych i gazowych rozpuszczonych w wodzie

r – promień koła [mm] obrazującego skład chemiczny wody

Składniki stałe i nie zdysocjowane zaznacza się w postaci współśrodkowych kół, których promień oblicza się zgodnie z

powyższym wzorem, przyjmując zamiast sumarycznego M masę składników gazowych i niezdysocjowanych. W górnej połowie koła

lub pierścienia przedstawia się wycinkami procenty miligramorównoważników podstawowych kationów, w dolnej połowie

podstawowych anionów.

Twardość

Często wspominaną cechą wody jest jej twardość. Jest to pojęcie umowne określające zużycie mydła w wodzie bez

wytwarzania piany przy skłócaniu. Wiąże się to z obecnością w wodzie rozpuszczonych jonów dwuwartościowych, głównie Ca

2+

,

Mg

2+

, Sr

2+

i Ba

2+

(a także Fe

2+

, Zn

2+

) i trójwartościowych (Al

3+

, Fe

3+

). Jeśli metale te występują w postaci wodorowęglanów,

węglanów lub wodorotlenków, wówczas mówimy o tzw. twardości węglanowej (przemijającej). Zwykle zanika ona w trakcie

gotowania wody:

Ca(HCO

3

)

2

⇒ H

2

O + CO

2

+ CaCO

3

⇓

Gdy w wodzie obecne są siarczany i chlorki tych metali, wówczas mamy do czynienia z twardością niewęglanową

(trwałą). Taka twardość nie zanika w trakcie gotowania, lecz wymaga stosowania specjalnych metod chemicznych. Suma twardości

węglanowej i niewęglanowej daje twardość ogólną.

Jednostkami twardości wody są mval/dm

3

, lub stopnie twardości wg skali niemieckiej (

°N, 1 stopień odpowiada 10 mg CaO

w dm

3

), francuskiej (

°Fr, 1 stopień odpowiada 1 g CaCO

3

w 100 dm

3

), angielskiej (

°Ang, 1 stopień odpowiada 1 g CaCO

3

w 70 dm

3

)

oraz amerykańskiej (

°USA) i WHO (1° = 500 mg CaCO

3

/dm

3

).

W Polsce stosowane są najczęściej mval/dm

3

, stopnie skali niemieckiej lub jednostki WHO. W zależności od twardości

ogólnej wyróżniamy (1 mval/dm

3

= 2,8

°N):

- wodę bardzo miękką;

< 0,5

°N

- wodę miękką;

5-10

°N

- wodę średnio twardą; 10-20

°N

- wodę twardą; 20-30

°N

- wodę bardzo twardą > 30

°N

Strefa hipergeniczna II – strona 8

Twardość wody ma wpływ na możliwości jest wykorzystania. Z wód twardych łatwo wytrąca się kamień, więc nie powinno

się ich wykorzystywać np. w sieciach centralnego ogrzewania. Nie powinno się jej również stosować w gospodarstwie domowym,

gdyż zwiększa użycie mydła i środków piorących, a niekiedy nawet zmienia smak mięsa, kawy i herbaty. Może też powodować

podrażnienia skóry. Z kolei wody zbyt miękkie sprzyjają np. zachodzeniu procesów korozyjnych w rurach wodociągowych oraz

zwiększają ryzyko chorób serca.

Twardość wody można wyznaczyć eksperymentalnie lub obliczyć z wyników analizy chemicznej wody. W takim przypadku

mnoży się stężenia kationów powodujących twardość (podane w mg/dm

3

) przez odpowiednie współczynniki przeliczeniowe (Tabela

..) otrzymując wyniki w mval/dm

3

.

Tabela 1. Współczynniki przeliczeniowe do obliczania twardości wody

Kation Mnożnik Kation Mnożnik

Ca

2+

0,04990

Fe

3+

0,05372

Mg

2+

0,08224

Al

3+

0,1112

Sr

2+

0,02282

Zn

2+

0,03059

Fe

2+

0,03581

Mn

2+

0,07281