Гидрохимия и охрана водных ресурсов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования 

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт наук о Земле

О. С. Решетняк,  
А. М. Никаноров

ГИДРОХИМИЯ  

И ОХРАНА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом Института наук о Земле

Южного федерального университета

в качестве учебного пособия

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 556.114+502.17(075.8)
ББК 26.22я73

Р47

Рассмотрено и рекомендовано к печати на учебно
методическом совете Института наук о Земле ЮФУ

(протокол № 3 от 10 февраля 2017 г.)

Рецензент

кандидат географических наук, ведущий научный 

сотрудник ФГБУ «Гидрохимический институт» 

В. М. Иваник

Решетняк, О. С.

Р47
Гидрохимия и охрана водных ресурсов : учебное пособие / 

О. С. Ре шетняк, А. М. Никаноров ; Южный федеральный 
универ ситет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного феде рального университета, 2018. – 134 с.

ISBN 978-5-9275-2428-0

Учебное пособие содержит сведения о теоретических и прак
тических аспектах гидрохимии. Цель дисциплины – получение 
студентами системы знаний о химическом составе природных вод, 
процессах, протекающих в них и определяющих химический состав 
вод и его трансформацию; об основных факторах формирования 
различных типов поверхностных вод; а также получение информации, необходимой для осуществления мероприятий по охране 
вод, обеспечению их экологической безопасности и рациональному 
использованию водных ресурсов.

Предназначено для студентов направления подготовки 05.03.06 

«Экология и природопользование» по дисциплине «Гидрохимия 
и охрана водных ресурсов».

ISBN 978-5-9275-2428-0

УДК  556.114+502.17(075.8)

 
ББК 26.22я73

© Южный федеральный университет, 2018
© Решетняк О. С., Никаноров А. М., 2018
© Оформление. Макет. Издательство
    Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................... 5

Используемые сокращения ....................................................................... 6

Модуль 1. Теоретические основы гидрохимии .................................... 7

Лекция 1. Гидрохимия как наука. Основные задачи 
и направления гидрохимических исследований ................................... 7

Лекция 2. Особенности строения молекулы воды и ее свойства, 
процесс растворения, растворимость солей, растворение газов ........... 9

Лекция 3. Химическая кинетика и химическое равновесие. 
Теория электролитической диссоциации. Гидролиз солей ................ 15

Вопросы рубежного контроля № 1 ......................................................... 27

Модуль 2. Химический состав природных вод. 
Основы региональной гидрохимии ....................................................... 29

Лекция 4. Химический состав природных вод: главные ионы, 
растворенные газы, биогенные и органические вещества, 
микроэлементы ........................................................................................ 29

Лекция 5. Классификация природных вод 
по химическому составу и минерализации .......................................... 41

Лекция 6. Факторы формирования химического состава 
природных вод: физико-географические, геологические, 
физико-химические, биологические и антропогенные ....................... 47

Лекция 7. Региональная гидрохимия. 
Гидрохимия атмосферных осадков ........................................................ 57

Лекция 8. Гидрохимия рек: особенности химического состава 
речных вод ................................................................................................ 64

Лекция 9. Гидрохимия озер и искусственных водоемов ..................... 77

Лекция 10. Гидрохимия подземных вод. 
Гидрохимическая зональность ............................................................... 91

Вопросы рубежного контроля № 2 ....................................................... 102

Оглавление

Модуль 3. Мониторинг загрязнения водных объектов. 
Наблюдения на водных объектах ........................................................ 105

Лекция 11. Источники загрязнения поверхностных вод суши. 
Контроль за загрязнением природных вод и мониторинг ПВС ...... 105

Лекция 12. Гидрохимические и гидробиологические 
исследования на водных объектах....................................................... 113

Вопросы рубежного контроля № 3 ....................................................... 120

Гидрохимическая терминология ......................................................... 122

Литература .................................................................................................. 131

ВВЕДЕНИЕ

Вода является одним из самых удивительных и до конца не из
ученных соединений на Земле. Она занимает исключительное положение в природе. Теоретическое и практическое значение гидро химии как науки, изучающей природную воду во всех ее проявлениях (вода, снег, лед), очень велико.

Одной из важнейших задач гидрохимии является исследова
ние происхождения ионного состава природной воды. С решением 
этой задачи связано исследование разнообразных процессов, происходящих в природных водах, изучение взаимодействия вод с породами, биотой, установление общих закономерностей формирования химического состава природных вод и выяснение генезиса 
различных химических типов природных вод земной коры.

Знание химического состава природных вод имеет огромное 

практическое значение в развитии различных отраслей экономики: при использовании природных вод для водоснабжения, водопользования, при добыче полезных ископаемых, при строительстве гидротехнических сооружений и т. д.

Водные ресурсы служат основным источником водоснабжения 

населения и хозяйственного комплекса, являются основой успешного развития многих отраслей сельского и промышленного производства. В последние десятилетия происходит качественное и 
количественное истощение природных вод, ухудшение состояния 
водных экосистем под влиянием все возрастающей техногенной 
нагрузки. 

Решение проблемы защиты природных вод от загрязнения тре
бует их всестороннего, комплексного изучения и организации наблюдений за состоянием водных объектов на основе применения 
самых совершенных принципов и методов гидрохимических исследований. С этой целью в нашей стране была создана система государственного экологического мониторинга окружающей среды. 
Важным ее элементом является мониторинг состояния и загрязнения поверхностных вод суши.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БПК – биохимическое потребление кислорода
ГСН – государственная система наблюдений за состоянием 

окружающей среды Росгидромета

ГХИ – Гидрохимический институт Росгидромета
КМВ – Кавказские Минеральные Воды
НИУ – научно-исследовательское учреждение
ОВ – органическое вещество
ОС – окружающая среда
ПАУ – полициклические ароматические углеводороды
ПВС – поверхностные воды суши
ПДК – предельно допустимые  концентрации
ПДН – предельно допустимая нагрузка
СНГ – Содружество Независимых Государств
СПАВ – синтетические поверхностно-активные вещества
ТУ – тяжелые углеводородные газы
ТЭД – теория электролитической диссоциации
ХОП – хлорорганические пестициды
ХПК – химическое потребление кислорода

МОДУЛЬ 1. Теоретические основы гидрохимии

Комплексная цель: ознакомить студентов с понятием «гидро
химия», основными направлениями ее развития, теоретическими 
основами гидрохимии и закономерностями протекания процессов 
в природных водах.

Лекция 1. Гидрохимия как наука. Основные задачи  
и направления гидрохимических исследований

Вода является одним из самых удивительных и до конца не 

изученных соединений на Земле. Гидрохимия в буквальном переводе означает «химия воды», но под гидрохимией понимают не 
просто химию воды, а химию природной воды. Природная вода отличается от искусственных водных растворов специфичностью качественного и количественного состава, одновременным присутствием в растворах ионов, газов, коллоидов, органических веществ 
и зависимостью состава не только от физических условий окружающей среды, но и от биологических процессов. 

По определению одного из основоположников гидрохимии Оле
га Александровича Алекина, гидрохимия – это наука, изучающая 
химический состав природных вод гидросферы (атмосферных, поверхностных, подземных и морских) и его изменения во времени и 
пространстве в зависимости от химических, физических и биологических процессов. В последние десятилетия усиливается антропогенное воздействие на окружающую природную среду, в том числе 
и на природные воды. Поэтому уточненная формулировка такова: гидрохимия – это наука, изучающая химический состав природных вод (атмосферных, поверхностных, подземных и морских), 
а также его изменения во времени и пространстве под действием 
естественных (химических, физических и биологических) и антропогенных факторов и процессов [2, 10, 12].

Модуль1.Теоретическиеосновыгидрохимии

Гидрохимия изучает химический состав вод разнообразных 

объ ектов (природных и искусственных): атмосферных осадков, рек, 
озер, морей, океанов, прудов, соляных озер, водохранилищ, подземных водоносных горизонтов и т. д. Эти же объекты изучаются 
и другими науками – гидрологией, гидробиологией, океанологией, 
геохимией и т. п., следовательно, они являются смежными с гидрохимией науками.

В системе наук гидрохимия занимает двойственное положение. 

С одной стороны, как химия гидросферы она может быть отнесена 
к обширной науке о Земле – геохимии, с другой стороны, гидрохимия должна входить в комплекс наук о гидросфере, т. е. в гидрологию. Таким образом, гидрохимия относится к циклу геолого-географических наук. Однако в гидрохимии широко используются 
химические методы анализа воды, рассматриваются химические 
процессы, формы различных химических веществ в природных 
водах, поэтому она может быть отнесена и к области химических 
наук [10, 14].

Задачи и направления гидрохимических исследований

Теоретическое и практическое значение гидрохимии очень ве
лико. Вода занимает исключительное положение в природе. Одной из важнейших проблем гидрохимии является изучение происхождения ионного состава воды. С решением этой задачи связано 
исследование разнообразных процессов, происходящих в природных водах, изучение взаимодействия вод с породами, биотой, установление общих закономерностей формирования химического состава природных вод и выяснение генезиса различных химических типов природных вод земной коры.

Знание химического состава природных вод имеет огромное 

практическое значение в развитии различных отраслей экономики: при использовании природных вод для водоснабжения, водопользования, при добыче полезных ископаемых, при строительстве гидротехнических сооружений и т. д. 

Лекция2.Особенностистроениямолекулыводыиеесвойства…

Задачи и направления современной гидрохимии [10, 14]

1. Изучение процессов формирования химического состава вод.
2. Выявление влияния природных и антропогенных факторов 

на формирование химического состава природных вод.

3. Изучение химического состава природных вод.
4. Исследование стока растворенных веществ.
5. Составление балансов химических веществ для водных 

объектов.

6. Изучение водной миграции различных веществ (биоген
ных, органических, тяжелых металлов и др.).

7. Изучение сущности и взаимосвязи физико-химических и 

биологических процессов, протекающих в водной среде.

8. Гидрохимическое картирование.
9. Применение математических методов при изучении гидро
химических процессов.

10. Типизация и классификация природных вод.
11. Прогнозирование изменения химического состава природных 

вод  с учетом антропогенной нагрузки и естественных изменений.

12. Разработка научно-методической базы и системы наблю
дений и контроля за состоянием водных объектов и качества воды. 

13. Разработка новых методов химического анализа и методо
логии исследования природных вод.

14. Разработка новых дистанционных методов изучения каче
ства воды и состояния водных объектов. 

Лекция 2. Особенности строения молекулы воды  
и ее свойства, процесс растворения, 
растворимость солей, растворение газов

Установленное ранее полярное строение молекулы воды позво
лило развить представления об ассоциации молекул в жидкой 
фазе как о результате действия диполей. Вследствие несимметрич ности распределения электрических зарядов молекула воды 
обладает полярностью, т. е. имеет два полюса – положительный 

Модуль1.Теоретическиеосновыгидрохимии

и отрицательный. Таким образом, для молекулы воды характерно 
дипольное строение [4].

При сближении молекулы воды начинают действовать друг на 

друга своими силовыми полями зарядов. Получаются агрегаты из 
двух, трех и более молекул.  Такие группировки молекул воды называют дигидролями (Н2О)2 и тригидролями (Н2О)3. В воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. 
Содержание их меняется в зависимости от температуры (табл. 1). 
Во льду доминируют тройные молекулы, обладающие наибольшим объемом. При повышении температуры скорость движения 
молекул возрастает, и силы притяжения между молекулами оказываются недостаточными для удержания их друг около друга. 
Поэтому в жидком состоянии вода представляет собой смесь моногидролей, дигидролей и тригидролей. С увеличением температуры тройные и двойные молекулы распадаются, а при 100 °С вода 
состоит из моногидролей [4, 10, 14, 19].

Таблица 1

Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %

Молекула

Лед
Вода
Пар

Температура, °С

0
0
4
38
98
100

Моногидроль [H2O]
0
19
20
29
36
>99,5

Дигидроль [(H2O)2]
41
58
59
50
51
<0,5

Тригидроль [(H2O)3]
59
23
21
21
13
0

Химически чистая вода обладает рядом уникальных аномаль
ных свойств [10, 14, 19]:

1. При нагревании от 0 до 4 °С ее объем не увеличивается, а 

уменьшается, и максимальная плотность ее достигается не в точке 
замерзания (0 °С), а при 4 °С (точнее, 3,98 °С).

2. При замерзании расширяется, а не сжимается, как все дру
гие тела, плотность ее уменьшается.

3. Температура замерзания воды с увеличением давления по
нижается, а не повышается, как этого бы следовало ожидать.

Лекция2.Особенностистроениямолекулыводыиеесвойства…

4. Имеет высокую удельную теплоемкость по сравнению с дру
гими телами.

5. Имеет высокую диэлектрическую постоянную и, как след
ствие этого, обладает большей растворяющей и диссоциирующей 
способностью, нежели другие жидкости.

6. Обладает самым большим поверхностным натяжением сре
ди всех жидкостей – 75· 10−7 Дж/см2 (глицерин – 65, аммиак – 42, 
а все остальные – ниже 30· 10−7 Дж/см2), за исключением рту ти – 
436· 10−7 Дж/см2.

7. Имеет необычайно высокие температуры плавления и ки
пения.

Величины скрытых теплот плавления и испарения, которые 

для воды являются самыми высокими среди всех веществ, имеют 
важное экологическое значение. От скрытой теплоты плавления 
зависит термостатирующий эффект в точке замерзания, что резко 
замедляет скорость фазового перехода лед – жидкость и обратно, 
предохраняя водные экосистемы Земли от катастрофических половодий или быстрого образования ледяного покрова.

Процесс растворения. Растворение солей.  
Растворимость газов

Высокая полярность молекул воды определяет ее активность 

при многих химических взаимодействиях. В чистой воде в той или 
иной мере растворяются практически все вещества, особенно хорошо – большинство солей. Лишь некоторые искусственные материалы (тефлон) инертны к воде. 

Растворение есть не только физический, но и химический про
цесс. Идет взаимодействие частиц растворенного вещества с частицами растворителя. При растворении в воде образуются однород ные физико-химические системы переменного состава (растворы) [4]. Растворенные в природных водах соли находятся в диссоции рованном состоянии, т. е. в виде ионов. Кроме того, эти ионы 
гидратированы диполями воды, существуют в виде комплекса с 
молекулами воды [10, 14].

Модуль1.Теоретическиеосновыгидрохимии

Механизм растворения следующий (рис. 1): на первой стадии 

к ионам соли начинают притягиваться молекулы воды противоположно заряженными полюсами своих диполей (рис. 1, а), далее 
происходит ослабление ионных связей в кристаллах соли и разрыв 
кристаллической решетки. Чтобы ионы кристаллической решетки оторвались друг от друга и перешли в раствор, надо преодолеть 
силу притяжения этой кристаллической решетки. При растворении солей преодолеть силу кристаллической решетки может сила 
притяжения ионов решетки молекулами воды, которая называется энергией гидратации. 

 а                                                    б

Рис. 1. Механизм растворения хлорида калия в воде [4]:

а – ориентация молекул воды на поверхности кристалла КCl 

и отрыв иона К+; б – гидратация (окружение молекулами воды) 

ионов К+ и Сl–

Если энергия гидратации больше энергии кристаллической 

решетки, то ионы будут оторваны от кристаллической решетки и 
перейдут в раствор (т. е. произойдет растворение соли в воде). После разрыва кристаллической решетки соли происходит второй 
этап растворения (рис. 1, б) – гидратация ионов соли молекулами 
воды [4].

В зависимости от природы вещества при его растворении про
исходит выделение (КОН, серная кислота) или поглощение тепла