Введение

В уроке 2 мы обсудили некоторые основные понятия из области химии, пытаясь понять, что происходит в результате химических взаимодействий и реакций с молекулами, атомами, ионами, протонами, нейтронами и электронами.

Теперь давайте продолжим наше обсуждение и попробуем применить эти общие знания к узкой области химии воды.

3 Химия воды

Вода — это чрезвычайно стабильное соединение. Оно практически не распадается на молекулы кислорода и водорода под воздействием тепла. Только при температуре 3600°F (1982°С) менее 2% молекул воды разлагаются на водород и кислород.

Кроме того, вода очень слабо ионизируется, образуя ионы Н ⁺ и ОН^-. В чистой воде только одна молекула из 550 000 000 разделяется на ионы. Примечание: относительная концентрация ионов Н⁺ и ОН^- имеет очень большое значение в процессах водоподготовки и будет рассмотрена в этой главе ниже.

Таким образом, будучи чрезвычайно стабильным соединением, вода не очень легко разлагается и ионизируется.

Другим важным фактом является то, что вода является не очень хорошим окислителем. Поскольку она содержит 88,81% кислорода, можно ожидать, что она будет являться хорошим окислителем. Однако из-за своей стабильности вода не отдает свой кислород никаким веществам, за исключением чрезвычайно
активных окислителей.

Окислительно-восстановительные реакции

Что же именно означает «окислитель», а также связанный с ним термин «восстановитель»?

Первоначально, термин «окисление» означал химическую реакцию, в ходе которой к соединению добавлялся кислород. Таким же образом, удаление кислорода определялось как восстановление.

Сегодня значение обоих терминов расширено благодаря более глубоким знаниям об атоме, его строении и реакциях.

В более широком смысле окисление атома или иона относится к увеличению положительной валентности или уменьшению отрицательной валентности. Восстановление имеет прямо противоположное значение — уменьшение положительной валентности или увеличение отрицательной валентности.

Это иллюстрирует следующая формула:

Что произошло? Произошло восстановление молекулы элементного хлора (валентность изменилась с 0 до —1) и окисление двух ионов закисного железа (валентность изменилась с +2 до +3).

В данной химической реакции каждый ион железа теряет по одному электрону. Теперь его валентность +3. Вещество, теряющее электроны, называется восстановителем.

Элементный хлор в этой формуле образует два хлорид-иона, имеющих отрицательный заряд и валентность — 1. Вещество, приобретающее электроны, называется окислителем.

Окисление и восстановление всегда происходят вместе и в равных объемах.

Как показано на данной схеме, окисление происходит тогда, когда есть увеличение положительной валентности. Когда положительная валентность уменьшается, или увеличивается отрицательная валентность, происходит восстановление.

Вещество, теряющее электроны, окисляется. Оно называется восстановителем. Вещество, получающее электроны, восстанавливается. Оно называется окислителем. Окислители, такие как галогены — хлор, фтор и бром забирают электроны у восстановителей, таких как металлы, которые их, соответственно,отдают.

Вот несколько примеров реакций окисления и восстановления, которые происходят в воде:

1. Fe++	- е	→	Fe+++
Железо (II)	Минус 1 электрон	Реагирует и вырабатывает	Железо (III)
2. S--	- 2е	→	S°
Сульфид-ион	Минус 2 электрона	Реагирует и вырабатывает	Элементную серу

В уроке №2 были изображены некоторые орбитальные модели электронов нескольких элементов и широко распространенных соединений. Мы видели, как удаление одного электрона из атома придает ему единичный положительный заряд. И наоборот, добавление одного электрона к атому придает ему единичный отрицательный заряд. Во всех молекулярных структурах плюс (сумма положительных зарядов) должен быть равен минусу (сумме отрицательных зарядов).

Давайте на минуту вспомним химическую структуру воды. Атом водорода, как вы помните, выглядит таким образом — один протон и вращающийся вокруг него один электрон. Примечание: для упрощения траектории электронов изображены в данной книге как отдельные кольцевые траектории. Однако реальное пространство и объем, занимаемые электронами, описываются математическими моделями всего пространства внутри каждой оболочки.

Похожим образом, элементный газообразный водород (Н₂) содержит два атома водорода, коллективизирующие друг с другом по одному своему электрону.

У кислорода 8 протонов и 8 нейтронов в ядре, а также 8 электронов.

Элементный газообразный кислород (О₂), в свою очередь, состоит из двух атомов кислорода, имеющих 4 общих электрона.

Примите во внимание, что атомы водорода и кислорода как таковые редко встречаются в виде атомов. Но молекулы этих газов, состоящие из двух атомов каждая, встречаются регулярно.

При химическом взаимодействии два атома водорода и один атом кислорода образуют электрически нейтральную молекулу воды.

Вода, как вы помните, ионизируется слабо. Когда это происходит, она образует:

Когда происходит ионизация, один из ионов водорода распадается. Теперь он состоит только из одного протона, без электрона, и имеет положительный заряд.

Оставшийся ион содержит и водород, и кислород. Он называется гидроксид-ионом. Обратите внимание, что в кислородной составляющей этого иона 8 протонов, а в водородной — 1. В то же время, этот ион имеет 10 электронов (8 внесенных кислородом и по 1 — двумя ионами водорода). Этот гидроксид-ион содержит электронов на один больше, чем протонов. Поэтому, он обладает отрицательным зарядом.

Более просто это можно изобразить так:

Очевидно, что левый блок разбалансирован. Гидроксид-ион с отрицательным зарядом и ион водорода с положительным зарядом легко объединяются в молекулу воды.

Гидроксид. Такое название носит ион, образованный из атома кислорода и атома водорода. Он имеет формулу ОН^-. Этот многоатомный ион участвует во многих химических реакциях как единое целое.

Обычно он ведет себя как единичный заряженный атом.

До этого момента мы использовали термины положительный и отрицательный электростатический заряд для обозначения силы, которая связывает ионы.

В водной химии также используются термины катион (положительный) и анион (отрицательный). Эти термины были введены Майклом Фарадеем, великим ученым 19 века. Он применил их к веществам, которые возникали на катодах и анодах во время его экспериментов с электролизом. (Катод — это отрицательный электрод, который притягивает положительно заряженные катионы; анод — это положительный электрод, притягивающий отрицательно заряженные анионы.)

Немного об ионах

В процессе растворения многие молекулы распадаются на два или более ионов, которые теоретически могут передвигаться как независимые частицы.

Ион отличается от атома или молекулы тем, что он несет электрический заряд.

Ионы бывают двух видов: с положительным электрическим зарядом (катионы) и с отрицательным электрическим зарядом (анионы). В воде сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, таким образом, раствор остается электрически нейтральным.

Блочный метод позволяет изобразить графически процесс образования соединений в водной химии.

Водород, как вы помните, имеет валентность +1. Любые атом или молекула, которые соединяются с водородом в отношении один к одному, имеют валентность — 1.

Хлорид -	+ Водород
(Cl)	(Н)

Полученное вещество — хлороводород или соляная кислота.

Натрий — это еще один катион с валентностью +1. Он может соединяться с хлорид-ионом в соотношении один к одному. Хлорид-ион обладает правильной валентностью —1, необходимой для соединения с натрием.

В итоге получается хлорид натрия (обычная поваренная соль).

Натрий +	- Хлорид
(Na)	(Cl)

Анион. Отрицательно заряженный ион в растворе. Это может быть единичный атом, имеющий заряд, например, хлорид-ион (Сl^-), или группа атомов с зарядом, например сульфат-ион (SO₄^--).

Катион. Положительно заряженный ион в растворе. Это также может быть единичный атом с зарядом, например, кальций (Са⁺⁺), или группа атомов, например, NH₄⁺.

Гидроксид натрия — это соединение, получающееся в результате объединения одноатомного иона и многоатомного иона.

или еще проще:

Еще один пример:

Бикарбонат-ион содержит одну часть водорода, одну часть углерода и три части кислорода.

Как мы видели, для построения соединения заряды + и — должны быть равными.

Валентность магния +2. Данный катион с его двойным положительным зарядом можно изобразить так:

Если бы единичный гидроксид-ион соединился с ионом магния, результат был бы таким:

Очевидно, что они не подходят друг другу. Поскольку положительная и отрицательная валентности должны совпадать, требуется два гидроксид-иона.

Получившееся соединение — это молекула гидроксида магния.

С ионом магния образует соединение анион с валентностью -2. Вот, например, карбонат магния:

Валентность алюминия +3. Он выглядит так:

Для его соединения с гидроксидом необходимо три молекулы последнего. Получается химическое
соединение гидроксид алюминия:

В химии воды встречаются различные катионы и анионы. Вот некоторые из них:

Элемент	Символ	Обычная валентность	Атомная масса
Алюминий	AI	+3	26.98
Барий	Ва	+2	137.34
Кальций	Са	+2	40.08
Углерод	С	+4 [-4,-2,+2]	12.011
Хлор	Сl	-1 [+1,+3,+5,+7]	35.453
Медь	Сu	+ 1,+2	63.54
Фтор	F	-1	18.998
Водород	Н	+ 1	1.008
Иод	I	-1	126.90
Железо	Fe	+2,+3	55.85
Магний	Mg	+2	24.312
Марганец	Mn	+2,+4 [+3,+6,+7]	54.938
Азот	N	+3,+5 [+1,+2,+4]	14.0067
Кислород	О	-2 [-1]	15.9994
Фосфор	Р	+3,+5 [+1,+2,+4]	30.974
Калий	К	+ 1	39.102
Кремний	Si	+4	28.086
Серебро	Ag	+1	107.870
Натрий	Na	+ 1	22.9898
Сера	S	-2 [+4,+6]	32.064
Цинк	Zn	+2	65.37

[В квадратных скобках даны менее распространенные валентности.]

Ниже изображены наиболее распространенные катионы и анионы, формирующие основные соединения в водной химии:

При соединении катионов и анионов, находящихся в воде, образуются основания, кислоты и соли. Некоторые такие процессы показаны выше.

Что же такое кислоты, основания и соли, и какое им можно дать определение?

Кислоты

Кислоты можно определить как соединения, которые высвобождают в растворе ионы водорода (Н⁺). Все кислоты содержат водород. Их общие характеристики таковы: (1) у них приблизительно одинаковый кислый вкус, (2) они

изменяют цвет индикаторов (кислоты изменяют цвет лакмусовой бумаги на красный), (3) они реагируют с основаниями и образуют соль и воду.

Однако, кроме этих общих свойств, разные кислоты имеют индивидуальные характеристики, которые могут достаточно сильно отличаться. Эти характеристики зависят от вида аниона в каждой кислоте и от недиссоциированных молекул. Молекулы различных кислот способны высвобождать в растворе разное
количество свободных ионов водорода. Вот некоторые примеры высвобождения
в растворе ионов водорода (Н⁺).

Уксусная кислота (уксус) слабо ионизирована и высвобождает в раствор только небольшие количества свободных ионов водорода.

Сильные кислоты и основания разделяются на ионы и остаются в таком виде. Это обозначено единичной стрелкой, показывающей в одном направлении.

Слабые кислоты и основания находятся в непрерывном процессе ионизации, однако свободные ионы также непрерывно воссоединяются в молекулы. В каждый отдельно взятый момент времени только небольшое количество кислоты или основания находится в форме ионов. Этот равновесный процесс обозначен стрелками, направленными в обоих направлениях.

Основания

Основания — это вещества, которые могут высвобождать ионы гидроксила (ОН^-). Примеры таких веществ — гидроксид натрия (NaOH) и гидроксид аммония (NH₄OH). Их ионизация происходит следующим образом:

Оснований очень много. Их общие характеристики таковы: (1) вкус горький, (2) на ощупь скользкие, (3) обращают цвет, приданный индикатору кислотой.

Например, они окрашивают лакмусовую бумагу в синий цвет.

Гидроксид аммония — это слабое основание, которое высвобождает в раствор только небольшие количества гидроксид-ионов (ОН^-).

Как и в случае с кислотами, каждое основание имеет индивидуальные свойства. Эти свойства в каждом соединении зависят от вида катиона и от неионизированных молекул основания. Как и кислоты, основания демонстрируют разные степени ионизации. Основания, которые ионизируются сильно, называются сильными. Соответственно, те основания, которые ионизируются незначительно, называются слабыми.

Соли

Соли образуются при взаимодействии иона металла (положительно заряженного катиона) и иона неметалла (отрицательно заряженного аниона).

Соли бывают трех видов — нормальные, кислые и основные.

Нормальная соль — это вещество, образованное соединением катионов любого основания и анионов любой кислоты.

Нормальные соли не обладают характеристиками ионов, хотя они практически все сильно ионизированы.
Нормальные соли имеют разные степени растворимости. Растворимость некоторых составляет меньше 1 мг/л. Другие, например хлорид натрия, могут раствориться в воде, вес которой намного меньше их собственного веса.

Кислая соль состоит из катионов металла и водорода, а также анионов кислоты, например, гидросульфат натрия и бикарбонат натрия.

Основная соль состоит из катионов металла и анионов гидроксила основания и анионов кислоты, например карбонаты.

Обратившись опять к нашим блокам, мы можем изобразить множество из этих соединений, встречающихся в области водной химии:

Соединения водорода

Кроме воды, все указанные выше соединения водорода являются кислотами. Холодная вода поглощает диоксид углерода (углекислый газ) и вырабатывает угольную кислоту. На рисунках выше угольная кислота изображена в виде карбоната водорода, а также в виде бикарбоната водорода. В угольной кислоте, ни бикарбонат, ни карбонат легко не ионизируются. При нагревании, молекула угольной кислоты может распасться на диоксид углерода и простую воду.

Соединения кальция

Эти кальциевые соединения часто встречаются в неподготовленной воде. Кроме того, их могут добавлять и в процессе водоподготовки.

На одном конце шкалы растворимости находится хлорид кальция, который растворяется очень легко. Намного хуже растворяется сульфат кальция. Карбонат кальция растворяется очень незначительно (менее 20 мг/л (ppm)).

Когда вода, содержащая диоксид углерода (CO₂) контактирует с нерастворимым осадком карбоната кальция, происходит химическая реакция. Она ведет к образованию бикарбоната кальция. Бикарбонат кальция и бикарбонат магния очень хорошо растворяются в воде и являются основными составляющими жесткости в неподготовленной воде.

Соединения магния

Как и в случае с соединениями кальция, растворимость магниевых соединений изменяется в пределах от чрезвычайно растворимых до нерастворимых. Карбонат магния, например, является соединением со средней растворимостью (до 100 мг/л (ppm)).

Считается необычным, если в воде содержится более 4-5 грейнов (68-85 мг/л) магния в форме карбоната.

Жесткость воды, вызванная бикарбонатами кальция и магния, часто называется временной жесткостью, так как эти бикарбонаты при нагревании воды могут снова возвратиться в нерастворимую форму или накипь.

Содержание этих минералов колеблется от 1 грейна на галлон (17,1 мг/л) в некоторых источниках воды до более чем 350 грейнов на галлон (5985 мг/л) в других. Вода из большинства источников имеет жесткость от 3 до 50 грейнов (51-855 мг/л).

Соединения натрия

Большинство соединений натрия обладают высокой степенью растворимости.

Кроме того, что они встречаются в неподготовленной воде, некоторые соединения натрия являются чрезвычайно важными для процесса водоподготовки.

Сульфат натрия является конечным продуктом процесса химического поглощения кислорода сульфитом натрия.

Анализ воды поможет выявить много фактов о воде. Минеральных и газообразных соединений в источнике воды может быть довольно много. Некоторые
мы уже упомянули, но мы никоим образом не исчерпали список. Давайте кратко рассмотрим некоторые другие загрязнители. В ходе дальнейших уроков мы рассмотрим их более подробно.

Щелочность (ОН^-, СО₃^-- и НСО₃^-)

Щелочность вызвана присутствием в воде бикарбонатов, карбонатов и гидроксидов.

Чрезмерная щелочность воды придает ей «содовый» привкус. На кожу такая вода оказывает осушающее действие.

Диоксид углерода (углекислый газ) (СO₂)

Это соединение встречается в большинстве источников воды в концентрациях от 0 до 50 мг/л (ppm).

В воде из рек и озер углекислого газа обычно больше, чем в воде из скважин. Однако, в некоторых источниках грунтовых вод его содержание так велико, что при сбрасывании давления вода будет пузыриться.

При соединении с водой углекислый газ образует угольную кислоту. Эта слабая кислота ускоряет процесс коррозии, в частности при нагревании воды.

На чрезмерные концентрации углекислого газа обычно указывают низкие значения pH.

Хлориды (Сl^-)

В небольших количествах хлориды встречаются в большинстве природных источников воды. Там, где их концентрация высока, присутствие хлоридов может быть неприемлемым из-за их характерного привкуса, склонности к корозийности или неблагоприятного воздействия на процесс умягчения.

Фториды (F^-)

Фториды могут быть либо вредными, либо полезными. Все зависит от их концентрации в воде.

В некоторых регионах в воде содержится до 1 мг/л (ppm) фторидов. В таких случаях они помогают предотвращать кариес. Но там, где их концентрация превышает 2 мг/л (ppm), они могут вызывать появление на зубах темно-коричневых пятен или придавать зубам чрезмерную белизну. При многолетнем
употреблении питьевой воды с содержанием фторидов более 4 мг/л (ppm) может развиться флюороз скелета, разрушительное заболевание костей, напоминающее остеопороз.

При чрезмерной концентрации фторидов, их необходимо удалять.

Сульфид водорода (сероводород) (H₂S)

Воду, содержащую сероводород, обычно называют сернистой водой.

При высоких концентрациях этот газ огнеопасен и ядовит. Он оказывает коррозийное действие на большинство металлов и легко вызывает потускнение серебра.

Характерный запах, ассоциирующийся с сероводородом, проявляется при его концентрации уже на уровне 0,5 мг/л (ppm).

Железо (Fe⁺⁺, Fe⁺⁺⁺)

Железо встречается в запасах грунтовых вод в разных количествах и в разных формах.

Большинство железосодержащих вод содержат менее 5 мг/л (ppm) железа. Однако время от времени встречается концентрация до 60 мг/л (ppm).

Наиболее часто железо встречается в грунтовых водах в форме бикарбоната двухвалентного железа. Иногда оно встречается в форме сульфида двухвалентного железа, а в кислых шахтных водах — в форме сульфата двухвалентного железа.

Присутствие железа в воде крайне нежелательно. Оно придает воде металлический привкус. Однако гораздо хуже то, что железо окрашивает практически все, с чем контактирует, даже если его концентрация не превышает 0,3 мг/л (ppm).

При выкачке воды, содержащей растворенное закисное (с валентностью +2) железо, она обычно чиста и бесцветна. Однако, при воздействии воздуха, оно окисляется до окисного железа с валентностью +3, мутнеет и откладывается в виде желтоватого или красновато-коричневого осадка гидроксида трехвалентного железа. Это вещество вызывает окрашивание.

Марганец (Мn⁺⁺, Мn⁺⁺⁺)

Марганец можно назвать «компанейским» элементом. Где бы он ни встречался в воде, его обычно сопровождает железо. Встречается, однако, он довольно редко.

Марганец вызывает нежелательные темно-коричневые или черные пятна, даже если его концентрация незначительно превышает 0,05 мг/л (ppm).

При наличии в воде марганец будет отлагаться в водопроводных трубах, и вода из крана будет содержать черный осадок и муть.

Растворенный марганец окисляется медленнее, чем железо. По этой причине, его труднее удалить из воды путем окисления и фильтрации. Поэтому для удаления марганца лучше использовать ионный обмен.

Обычно марганец встречается в форме бикарбоната и гидроксида двухвалентного марганца, реже — в форме сульфата двухвалентного марганца.

Нитриты (NO₂^-) и нитраты (NO₃^-)

Хотя некоторые почвы содержат натуральные нитраты, часто их содержание указывает на то, что вода загрязнена органическим материалом.

Большинство вод, загрязненных нитратами, поступает из неглубоких скважин, однако, глубокие скважины тоже могут быть поражены им.

Даже небольшая концентрация нитратов (10-20 мг/л (ppm)) может стать причиной заболеваний, и даже смерти младенцев.

Кремнезем (диоксид кремния) (SiO₂)

Это твердое, стекловидное минеральное вещество поглощается водой, когда она протекает по горным породам или просачивается сквозь пласты горных пород.

Кремнезем оказывает незначительное воздействие на воду, которой пользуется среднестатистическая семья. Однако, что касается промышленности, то он вызывает появление чрезвычайно твердой накипи в бойлерах и на лопатках турбин как последствие воздействия пара.

Кремнезем находят во всех естественных источниках воды в количестве от 1 до более 100 мг/л (ppm).

Натрий (Na⁺)

В зависимости от местных условий, натрий встречается в большем или меньшем количестве во всех водных источниках.

При малых концентрациях соли натрия на свойства воды влияют мало или не влияют вовсе. В больших концентрациях они способствуют повышению коррозионной активности воды.

Удалить натрий из воды можно только в процессе деионизации, дистилляции или обратного осмоса.

Очень похоже ведут себя соли калия. И те, и другие чрезвычайно растворимы в воде.

Сульфаты (SO₄^--)

Сульфаты встречаются во всех водных источниках. Количество сульфатов в воде зависит от характеристик почвы в разных регионах. Некоторые промышленные отходы богаты на сульфаты и увеличивают их содержание в естественных водных резервуарах.

Высокое содержание сульфатов представляет собой особую проблему в процессе водоподготовки, так как оно обычно означает, что вода имеет повышенную жесткость, высокую концентрацию солей натрия и высокий уровень кислотности.

Сульфаты придают воде лекарственный привкус и оказывают заметный слабительный эффект на тех, кто к ним не привык.

Метан (болотный газ) (СН₄)

Метан эпизодически встречается в артезианской воде. В достаточном количестве он огне- и взрывоопасен. Его легко опознать по его легковоспламеняющимся свойствам.

Помимо разнообразных газов и минералов, в воде встречается много разновидностей бактерий и микроорганизмов. К ним относятся диатомовые водоросли, бактериальная пленка, водоросли, железобактерии, марганцевые бактерии и т.д. Как от них избавиться, мы узнаем из уроков 5 и 8.

Водородный показатель (pH)

Изучение водной химии будет неполным без рассмотрения понятия водородного показателя (pH). Это термин, используемый для измерения величины кислотности или щелочности воды.

Шкала измерения pH начинается с 0 и заканчивается на 14. 7 — нейтральная точка.

Значения pH больше 7 указывают на щелочные растворы, причем, чем больше значение, тем больше величина щелочности.

Значения pH меньше 7 указывают на кислые растворы, причем, чем меньше
значение, тем больше величина кислотности.

pH. Показатель концентрации ионов водорода или водородный показатель воды. Словарь определяет pH как «логарифм обратного значения концентрации ионов водорода, выраженный в молях на литр раствора и используемый для обозначения кислотности или щелочности».

Поскольку pH часто определяется как мера кислотности или щелочности вещества, нам нужно сузить это определение. pH применяется скорее для измерения факторов силы (а не количественных факторов) при разных степенях кислотности или щелочности. Количество свободных ионов водорода в растворе N1 соляной кислоты в 75 раз больше, чем количество свободных ионов водорода в растворе N1 уксусной кислоты. Соляная кислота является сильной кислотой, в то время как уксусная кислота — слабой.

Количественно же они имеют одинаковую кислотность, поскольку требуется одинаковое количество щелочи для их нейтрализации.

При рассмотрении pH необходимо помнить о двух важных вещах:

1. Это всегда мера силы, а не количества. Точно так же термометр покажет, насколько холодно в комнате, но не покажет, сколько нужно теплого воздуха, чтобы ее нагреть.

2. Это экспоненциальная функция. Щелочность при pH 10 в 10 раз выше, чем при pH 9 и в 100 раз выше, чем при pH 8. Точно так же, кислотность при pH 2 в 100 раз выше, чем при pH 4 и в 1000 раз выше, чем при pH 5.

Раствор N1 или нормальный раствор — это такой раствор, в одном литре которого содержится эквивалентный вес соединения. Например, эквивалентный вес хлорида натрия равен 58,443. Раствор, содержащий 58,443 г хлорида натрия в 1 литре, называют однонормальным раствором или раствором N1 NaCl. Раствор, в одном литре которого содержится 5,8443 г, называют раствором 0,1 ON NaCl или N/10 NaCl.

(NaCl) указывает на нормальность раствора хлорид натрия. Такая запись широко используется в уравнениях для сокращения текста.

Химики обнаружили, что если концентрацию ОН^- в воде умножить на концентрацию Н⁺, результат всегда равен константе 1 х 10~¹⁴ или 1/10~¹⁴. В качестве уравнения это можно записать так:

(ОН⁻) × (Н*) = 1×10⁻14

Как вы знаете, ОН^- делает раствор щелочным, а Н⁺ — кислым. Когда их концентрация равна, раствор не будет ни щелочным, ни кислым. Он будет нейтральным:

Цифры наподобие 1/10⁷ трудны в использовании, поэтому химики нашли более простой метод и установили терминологию pH. Значение pH, по сути, это степень в знаменателе дроби, которая выражает концентрацию Н⁺. Например, pH 5 или pH 6 означает (Н⁺) = 1/10⁶ или 1/10⁵ соответственно.

ПРИМЕЧАНИЕ. Чем ближе pH к нулю, тем выше концентрация свободных (Н⁺), тем выше значение кислотности и тем ниже (ОН^-). Однако раствор все равно содержит некоторое количество ОН^-.

Следующая схема показывает относительную силу кислотности или основности воды.

Выводы

В этом уроке мы еще ближе узнали воду и химию воды. Мы обнаружили, что вода стабильна даже при чрезвычайно низких температурах, но при этом она не является сильным окислителем.

Термин «окисление» и связанный с ним термин «восстановление» представляют особую важность. Первоначально окисление означало добавление кислорода к соединению; восстановление означало удаление кислорода из соединения.

В более широком смысле окисление теперь означает увеличение положительной валентности или уменьшение отрицательной валентности. Восстановление, происходящее одновременно с окислением, означает уменьшение положительной валентности и увеличение отрицательной валентности.

При химическом соединении два атома водорода и один атом кислорода формируют электрически нейтральную молекулу воды. При ионизации воды (которая при этом ионизируется незначительно) формируется ион водорода и гидроксид-ион. В свою очередь, гидроксид-ион (заряженный отрицательно) и ион водорода (заряженный положительно) легко воссоединяются в молекулу воды. Положительный ион водорода является катионом, отрицательный гидроксид-ион является анионом. Эти анионы могут соединяться между собой или с другими катионами и анионами в различные соединения. Многоатомные ионы также соединяются подобным образом.

Простым методом изображения комбинаций различных ионов является блочный метод. Этот метод мы будем использовать на протяжении всего данного курса.

Вещества, образующиеся в результате соединения катионов и анионов в воде, классифицируются как кислоты, соли и основания.

Кратко кислоты могут быть определены как соединения, высвобождающие в растворе ионы водорода. Все кислоты содержат водород.

Основания — это вещества, которые способны высвобождать гидроксид- ионы (ОН^-). Соли — это вещества, содержащие ионы металла (заряженные положительно) и ионы неметалла (заряженные отрицательно). Соли бывают грех видов — нормальные, кислые и основные.

Среди многих загрязнителей, встречающихся в воде, есть вещества, придающие воде жесткость — хлориды, сульфаты, фториды, сульфид водорода, железо, марганец, натрий, кремнезем и другие. В последующих уроках данного курса они будут рассмотрены более детально.