Природные воды представляют собой сложные многокомпонентные растворы, включающие растворённые соли, газы, органические соединения и микроэлементы. Основными компонентами являются катионы кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), натрия (Na⁺) и калия (K⁺), а также анионы гидрокарбоната (HCO₃⁻), сульфата (SO₄²⁻), хлора (Cl⁻) и нитрата (NO₃⁻). Их концентрации определяются геохимическим взаимодействием воды с горными породами и атмосферными осадками.
Минерализация воды, отражающая суммарное содержание растворённых солей, варьируется в широких пределах: от менее 50 мг/л в дождевой воде до более 35 г/л в морской воде. Различие в составе и минерализации обуславливает химический характер вод, делая их пресными, полусолёными или солёными.
Растворимость веществ в природных водах зависит от температуры, давления и рН среды. Кальций и магний в основном присутствуют в форме ионов, образующих гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные соли. Углекислый газ (CO₂) растворяется в воде с образованием угольной кислоты (H₂CO₃), которая диссоциирует на ионы H⁺ и HCO₃⁻, поддерживая кислотно-щелочной баланс.
Органические вещества, поступающие в природные воды с растительными остатками и почвенными растворимыми соединениями, включают низкомолекулярные кислоты, фенолы, сахара и аминокислоты. Они часто формируют слабые комплексные соединения с металлами, влияя на их биодоступность.
Растворённые газы играют важную роль в химии природных вод. Кислород (O₂) обеспечивает окислительно-восстановительные реакции, контролирует биохимические процессы и поддерживает жизнь водных организмов. Углекислый газ (CO₂) регулирует концентрацию бикарбонатных и карбонатных ионов, определяя щёлочность воды. Азот (N₂) и другие редкие газы обычно присутствуют в виде растворённой формы и малоактивны, однако подвержены биологической трансформации.
Буферные системы природных вод обеспечивают устойчивость рН. Основной буфер — система H₂CO₃/HCO₃⁻, поддерживающая рН в пределах 6,5–8,5. Важную роль играют также фосфатные и силикатные буферы в горных и пресноводных системах. Присутствие многоатомных ионов металлов создаёт комплексные равновесия, влияющие на осаждение солей и стабильность химического состава.
Осаждение солей в природных водах происходит при изменении температуры, рН, концентрации ионов и газового состава. Наиболее распространены процессы кальциевого и магниевого карбонатного осаждения, формирующего известняки и доломиты. Гидролиз солей, таких как сульфаты и хлориды, способен влиять на кислотность воды и её электропроводность.
Гидролиз сильно зависит от соотношения катионов и анионов: соли слабых кислот и сильных оснований вызывают щёлочную реакцию, а соли сильных кислот и слабых оснований — кислую. Эти процессы определяют химическую динамику водоёмов и формирование донных отложений.
Температура воды влияет на растворимость газов и солей: с повышением температуры растворимость газов снижается, тогда как для большинства солей она увеличивается. Давление, особенно в подземных водоносных горизонтах, стабилизирует растворённые газы, препятствуя их выделению. Эти физико-химические параметры определяют фазовое поведение воды и скорость химических реакций.
Присутствие микроэлементов и органических соединений в растворах природных вод оказывает влияние на экосистему. Токсические металлы, такие как свинец, ртуть, кадмий, образуют комплексные соединения, препятствующие их биодоступности, либо, наоборот, способствуют их накоплению в организмах. Питательные вещества, включая нитраты и фосфаты, стимулируют рост водной растительности и микрофлоры, что в свою очередь меняет химический состав воды.
Электропроводность воды прямо зависит от концентрации ионов. Суммарная электропроводность является индикатором общей минерализации и качества воды. В морской воде она достигает 50–60 мСм/см, в пресных водоёмах обычно составляет 0,05–0,5 мСм/см. Ионная композиция определяет водородный показатель, щёлочность и возможность протекания электрохимических процессов.
Химический состав природных вод подвержен изменениям под влиянием осадков, инфильтрации грунтовых вод, деятельности человека и геохимических процессов. Загрязнение промышленными и сельскохозяйственными стоками приводит к повышению концентрации токсичных веществ, изменению кислотности и нарушению естественного ионного баланса. Природные процессы, такие как выветривание минералов и биологическая деятельность, одновременно пополняют и перераспределяют растворённые вещества.
В зависимости от состава растворённых веществ природные воды классифицируют на:
Такой подход позволяет прогнозировать химические и биохимические процессы в водных системах и оценивать их экологическое состояние.