Химические анализы воды формулами и графиками

При изучении химического состава подзем­ных вод нередко накапливается очень большое количество анализов — полных и кратких. Их бывает трудно сопоста­вить при разнообразии состава вод. Для лучшего обзора полученных аналитических данных предложено несколько способов наглядного написания результатов анализов. Некоторые авторы выражают результаты анализов при помощи формулы М. Г. Курлова. Пересчитанные в мил­лиграмм-эквивалент процентах данные анализа выписыва­ют в виде математической формулы. На первом месте внизу буквы М (масса) плотный остаток в г/л (или сумму мил­лиграмм-эквивалентов), рядом с ним выписывают в мг/л специфичные для данного анализа элементы с указанием их количеств, например, бром, сероводород, редкие эле­менты и пр.; далее данные записывают в виде дроби: в числи­теле анионы в порядке убывания их количеств (символ элемента с показателем при нем числа мг/экв-%), а в знаме­нателе — катионы тем же способом; после дроби даются в виде множителя температура воды (Т) и величина расхо­да Д (дебита) воды из родника, источника или колодца (в литрах в секунду, в минуту, в час и т. д., согласно сделан­ной оговорке). Так, например, формула:

Она означает, что анализируемая вода содержит 4,5г растворен­ных солей в 1 л: хлора 48% мг/экв, серной кислоты 40%, нат­рия 62%, магния 34%; температура воды 25° С, а расход воды достигает 2450 л/ч (или в другую условленную величину вре­мени). Написанную выше формулу состава и состояния воды, по Курлову, читают так: солоноватая, хлоридно-сульфатная натриево-магниевая теплая вода. (Следует иметь в виду, что некоторые авторы рассчитывают проценты мг/экв, исхо­дя из суммы мг/экв в 100%, а другие исчисляют проценты, относя 100% отдельно к сумме анионов и к сумме катионов, что более удобно.) Пользуясь такими формулами, удобнее сравнивать между собой анализы и классифицировать проанализированные воды по их химическому составу.

В настоящее время предложено заменить при предвари­тельной обработке гидрохимических материалов громозд­кие формулы Курлова, включающие точные химические обозначения анионов и катионов, упрощенными индексами (показателями). К.В. Филатов и С.М. Шагоянц упростили формулу Курлова, заменив обозначения анионов Cl^-, SO₄, НСО₃ русскими буквами X, С, Гк. Обозначений катионов они, не дают, делая упор на клас­сификацию по анионам.

Обозначение анионов и катионов русскими буквами представляет, однако, большое неудобство, так как оно противоречит общепринятой индексации химических эле­ментов латинскими буквами. Индексация русскими буква­ми делает химические формулы недоступными для пони­мания в международном масштабе. Если ограничить упрощение формулы только заменой обозначений анионов (и лишь по ним подразделять состав вод), то лучше исполь­зовать предложение О. А. Алекина обозначать анио­ны бикарбоната буквой С (карбо-уголь), а сульфатного иона — буквой S (сульфур — сера).

О. А. Алекин делит природные воды на группы:

1. бикарбонатную;
2. сульфатную;
3. хлоридную.

В каждой группе по преобладающему катиону он выделяет классы:

1. каль­циевый;
2. магниевый;
3. натриевый.

Наконец, каждый класс распадается на виды вод:

1. мягкие НСО₃ >Са²⁺ + Mg²⁺;
2. жесткие HCO₃<Ca²⁺ + Mg^{2 +} < НСО₃ + SO₄;
3. агрессивные НСО₃ + SO₄ < Са²⁺ + Mg²⁺;
4. кислые HCO₃ = 0.

Кроме того, удобно заменить псевдодробь Курлова, занимающую две строки текста, однострочным написанием формулы, отделив анионы от катионов квадратными скоб­ками. Например, М_2,5 [С65 S25 С110] [Са75 Mg20 Na5].

Схема классификации анализов природных вод по их химическому составу

Удобны графические выражения результатов анализов. 

Если мы имеем дело с сокращенным анализом, при котором определяют из анионов НСО₃, SO₄, Сl^-, а из катионов Са²⁺ и Na⁺ + К⁺, то пользуются следующими приемами:

График Роджерса. График состоит из двух параллельных прямоугольных полосок, подразделяемых каждая на 50 или 100 частей в зависимости от того, как ведется суммарный подсчет анионов — на 100 или на 200%. Перед полосками ставится буква М, с указанием плотного остатка раствора в мг/л или в мг/экв%. Верхняя полоска отводится анионам в таком порядке — Cl^-, SO₄, НСО₃, а нижняя — катионам — Nа⁺ + К⁺, Са²⁺, Mg²⁺. Такое графическое изображение анализа очень наглядно и облегчает сопоставление результатов анализа. Некоторые авторы меняют положение полосок: одни ста­вят вертикально двумя столбиками, другие накладывают один столбик на другой: получается длинная колонна, нижняя часть которой отводится анионам, а верхняя катионам.

Н. И. Толстихин предложил для этой же цели использовать круг, который делится на 2 половины верти­кальным диаметром. Каждая половина по окружности делится на 50 или 100 частей. Левая половина отводится анионам, а правая катионам. Отмечая на окруж­ности процентное содержание того или иного аниона, катиона, точки-отметки соединяют с центром. Таким обра­зом секторы наглядно указывают на соотношение величин анионов и катионов на кругах, отведенных для отдельных анализов. Если анализов немного и они отличаются друг от друга своими плотными остатками, то круги можно чертить пропорционально плотным остаткам. Накладывая меньший круг на больший, можно очень четко представить себе соотношение в растворе анионов и катионов.

 «Треугольник Ферре», широко используе­мый и в других дисциплинах, когда требуется выяснить закономерности в трех составных сочетаниях. Если берут анионы, то в вершинах треугольников располагаются: в верхнем углу НСО₃, в нижнем левом Сl^-, в нижнем пра­вом SO₄. Если используют катионы, то в верхнем углу Na⁺ + К⁺, в левом нижнем Са²⁺, в правом нижнем Mg²⁺. Каждая сторона треугольника делится на 50 или на 100 частей, в зависимости от того, на 100 или на 200% произ­водился расчет анализа. Количество процентов данного иона убывает от вершины, где стоит его символ, к противо­положным углам. На каждый треугольник можно нанести результаты большого количества анализов и получить ясное представление о соотношении в анализируемых водах анио­нов и катионов. При небольшом количестве анализов можно использо­вать один треугольник для нанесения на него анионов и катионов. При этом анионы и катионы наносятся различ­ными значками, например, анионы точками, а катионы крестиками. Значки аниона и катиона, относящиеся к одно­му анализу, соединяются между собой прямой линией. Таким образом удается сопоставить результаты различных анализов с достаточной наглядностью.

Одновременно нанести на график анионы и катионы можно и при пользовании «квадратом Толcтихина». Нижняя горизонтальная сторона квадрата отводится для Са²⁺ + Mg²⁺ + Fe²⁺, а верхняя для Na⁺ + К⁺; правая вертикальная сторона квадрата отводится для Cl^- + SO₄, а левая — для НСО₃ + СО₃. Места нулевых величин находятся в левом верхнем и правом нижнем углах, откуда они нарастают к нижнему левому и верхнему правому углам. Н. И. Толстихин делает свои расчеты на 200%, но можно, конечно, делать их на 100% суммы катионов и анионов.

Квадрат Н. И. Толстихина состоит из рядов полос вертикальных и горизонтальных.

В вертикальных рядах слева направо убывают количе­ства К⁺ + Na⁺ и нарастают Са²⁺ + Mg²⁺. Практически К⁺ никогда не преобладает над Na⁺; Са²⁺ и Mg²⁺ бывают то в равных количествах, то один из них преобладает над другим. Таким образом по средним вертикалям распола­гаются смешанные щелочные и щелочноземельные воды, в крайней левой вертикали — чистые щелочные (натрие­вые) воды, а в крайней правой — чистые щелочноземельные воды.

По горизонтальным рядам сверху вниз убывают бикарбо- натные соли и нарастают сульфаты и хлориды. Следователь­но, в левом верхнем углу скапливаются бикарбонаты натрия, а в левом нижнем углу — хлориды и сульфаты натрия; в правом верхнем углу — бикарбонаты кальция и магния, а в правом нижнем — хлориды и сульфаты кальция и маг­ния.

Так как при построении квадрата приходится пользо­ваться суммами ионов в % мг/экв К⁺ + Na⁺, Са²⁺ + Mg²⁺, Cl^- + SO₄, то при этом скрадывается соотношение ионов каждой паре.

Сочетание квадрата и треугольников для система­тизации анализов

Раскрыть эти соотношения можно на тре­угольниках, которые, по совету Н. И. Толстихина, следует причлепять к квадрату: один справа, так, чтобы линия SO₄ —Сl^- представляла продолжение линии Са²⁺ + Mg²⁺; тогда в левом нижнем углу треугольника располагается максимум SO₄, в правом нижнем — максимум Cl^-, а в верхнем углу — НСО₃. Другой треугольник причленя- ется сверху так, что его линия Mg^{2 +} — Са²⁺ продолжает линию Cl^- — SO₄ квадрата; тогда в ближнем к квадрату углу располагается максимум Mg²⁺, в дальнем — максимум Са²⁺, а в третьем углу — Na⁺ + К⁺. При таком расположе­нии фигур вертикальные ряды катионов продолжаются в верхнем треугольнике, а горизонтальные ряды анионов — в боковом треугольнике.

Существует и ряд других предложений по графическому изображению анализов: Дурова, Сулина; Филатова и т. д.