Ջրի որակ

Ջրի որակը կախված է հետազոտվող ջրի քիմիական, ֆիզիկական, կենսաբանական և ճառագայթման հատկանիշներից, որոնցից յուրաքանչյուրը շատ կարևոր է մարդկության համար։  Այդ հատկանիշները նաև չափանիշներ են, որոնց շնորհիվ կարելի է որոշել, թե որ ջուրն է պիտանի։

Ստանդարտներ 
Ստանդարտ սահմանելիս, տալիս են քաղաքական և գիտա-տեխնիկական լուծումներ, թե ինչպես պետք է օգտագործվի ջուրը։ Այդ դեպքում բնական ջրային օբյեկտներին նրանք տալիս են որոշակի գնահատականներ՝ ելնելով ստանդարտներից։ Բնական ջրամբարները կարող են փոխվել կախված շրջապատի պայմաններից։ Գիտնականները, բնապահպանները աշխատում են հասկանալ՝ ինչպես է գործում այդ համակարգը։ Այդ խնդրի պարզաբանումը կօգնի լուծել մի շարք խնդիրներ, որոնցից մեկը այդ ջրամբարների ապագա աղտոտվածության խնդիրն է։ 
Մակերևութային ջրերի ճնշող մեծամասնությունը ո՛չ խմելու է, ո՛չ թունավոր։ Այդ վարկածը մնում է ճիշտ, երբ հաշվի չի առնվում օվկիանոսների ջուրը։ Ջրի որակի ընդհանուր ընկալումը պարզ մի չափանիշ է, որը ցույց է տալիս, թե արդյոք աղտոտված է ջուրը, թե ոչ։ Իրականում ջրի որակի որոշումը բարդ հարց է, քանի որ ջուրը կապված է մի շարք էկոլոգիական բարդ համակարգերի հետ։

Ջրի որակի մանրամասն հետազոտման համար անհրաժեշտ է չափել կամ հաշվել ջրի․
 կոշտությունը,
 pH-ը,
 էլեկտրահաղորդականությունը,
 աղերի կոնցենտրացիան։

Նաև պետք է հաշվի առնել ջրի անսովոր ֆիզիկական և քիմիական, ինչպես նաև լուծիչ հատկությունները։

Ջրի յուրահատուկ ֆիզիկական հատկությունները պայմանավորված ջրածնային կապերի մասնակցությամբ 
Ջուրը ունի ավելի բարձր հալման, եռման և գոլորշիացման ջերմաստիճան, քան մյուս տարածված հեղուկները։ Այս անսովոր հատկությունները հարևան մոլեկուլների միջև փոխազդեցության հետևանք են, որոնք  հեղուկ ջրին տալիս են ներքին համախմբվածություն։ Ջրի մոլեկուլի էլեկտրոնային կառուցվածքը ցույց է տալիս միջմոլեկուլային փոխազդեցության առաջացման պատճառը։ Ջրի յուրաքանչյուր ջրածնի ատոմ համատեղ օգտագործում է 1 էլեկտրոնային զույգ կենտրոնական թթվածնի ատոմի հետ։ Մոլեկուլի երկրաչափական ձևը թելադրում է թթվածնի ատոմի արտաքին էլեկտրոնային օրբիտալները, որոնք նման են ածխածնի sp3 միակցմանը։ Այս օրբիտալները կազմում են քառանիստ, ջրածնի ատոմներով 2 կողմերում և չընդհանրացված էլեկտրոնային զույգերով մյուս 2 կողմերում։(նկար 1) H-O-H կապի անկյունը կազմում է 104.5°, մի փոքր քիչ քան 109.5° (իդեալական քառանիստ), քանի որ թթվածնի ատոմի չկապված օրբիտալները սեղմում են։

Թթվածնի միջուկը ձգում է էլեկտրոններին ավել ուժեղ քան ջրածնի միջուկը (պրոտոնը), այսինքն թթվածինը ավելի էլեկտրաբացասական է։ Սա նշանակում է, որ ընդհանրացված էլեկտրոնները ավելի հաճախ գտնվոմ են թթվածնի ատոմի մոտակայքում քան ջրածնի։ Այս էլեկտրոնների անհավասար ընդհանրացման արդյունքը ջրի մոլեկուլներում դիպոլների առաջացումն է ամեն H-O կապի երկայնքով. ամեն ջրածին կրում է մասնակի դրական լիցք (δ+), իսկ թթվածնի ատոմը կրում է մասնակի բացասական լիցք, որը մեծությամբ հավասար է երկու մասնակի դրական լիցքերին (2δ-)։  Արդյունքում ստացվում է էլեկտրական փոխազդեցություն մի ջրի մոլեկուլի թթվածնի և մեկ այլ ջրի մոլեկուլի ջրածնի միջև, որը կոչվու է ջրածնային կապ։ Հետագա նկարներում ջրածնային կապը ներկայացված է 3 առանձին կապույտ գծերի տեսքով։

Ջրածնային կապերը համեմատաբար թույլ են։ Դրանք հեղուկ ջրում ունեն կապի քայքայման էներգիա մոտավորապես 23 կՋ/մոլ, ի տարբերություն ջրում կովալենտային H-O կապի 470 կՋ/մոլ կամ կովալենտային C-C կապի 348 կՋ/մոլ էներգիային։ Ջրածնային կապը մոտավորապես 10% կովալենտային է շնորհիվ օրբիտալերի վերածածկման և մոտավորպես 90% էլեկտրոստատիկ է։ Սենյակային ջերմաստիճանում ջերմային էներգիան ջրային լուծույթում նույնքան է, ինչքան պահանջվում է ջրածնային կապերը քանդելու համար։ Երբ ջուրը տաքացնում ենք, ջերմաստիճանի աճը առաջացնում է անհատական մոլեկուլների ավելի արագ շարժում։ Ցանկացած ժամանակ ջրի մոլեկուլների մեծամասնությունը կապված է ջրածնային կապերով, սակայն ամեն ջրածնային  կապի «կյանքը» տևում է մեկից քսան պիկովայրկյան (1 պիկովայրկյան = 10-12 վայրկյան). երբ մի ջրածնային կապը քանդվում է, մեկ այլ կապ է առաջանում նույն մոլեկուլների զույգի միջև կամ մեկ այլ զույգի միջև մոտավորապես 0.1 պիկովայրկյանի ընթացքում։ Բոլոր ջրածնային կապերը ջրի մոլեկուլների միջև ստեղծում է հրաշալի ներքին կապեր հեղուկ ջրում։

Օրբիտալների մոտավոր քառանիստ դասավորությունը թույլ է տալիս ջրի ամեն մոլեկուլին ձևավորել ջրածնային կապեր առավելագույնը 4 հարևան ջրի մոլեկուլների հետ։
Սենյակային ջերմաստիճանում, 1 մթնոլորտ ճնշման պայմմաններում հեղուկ ջրի մոլեկուլները անհամակարգված են և անկանոն շարժվում են, ուստի ամեն մոլեկուլ առաջացնում է ջրածնային կապեր միջինում 3.4 ուրիշ մոլեկուլների հետ։ Մյուս կողմից, սառույցում ամեն ջրի մոլեկուլ ֆիքսված է տեղում և առաջացնում է ջրածնային կապեր մաքսիմալ քանակով, որպեսզի պայմանավորի պարբերական վանդակավոր կառույց։ Սառույցի բյուրեղավանդակը ապակայունացնելու համար բավարար քանակով ջրածնային կապեր ճեղքելը  պահանջում է շատ ջերմային էներգիա, որը ջրի համեմատաբար բարձր հալման ջերմաստիճան ունենալու   պատճառն է։ Երբ սառույցը հալվում է, կամ ջուրը գոլորշիանում է ջերմությունը վերցվում է հետևյալ համակարգից.

Հալման կամ գոլորշիացման ժամանակ ջրային համակարգի էնթրոպիան աճում է, և ավելի լավ համակարգված մոլեկուլները դառնում են ավելի քիչ ջրածնային կապեր ունեցող անհամակարգված մոլեկուլներ կամ անցնում են ամբողջովին քաոսային վիճակի։ Սենյակային ջերմաստիճանում և՛ սառույցի հալումը, և՛ ջրի գոլորշիացումը տեղի են ունենում ինքնաբերաբար։ Ջրի մոլեկուլների հակումը միանալ ջրածնային կապերով գերազանցում է էներգրիական մղումը դեպի պատահականություն։  Հիշենք, որ ∆G ն պետք է փոքր լինի զրոյից որպեսզի գործընթացը տեղի ունենա ինքնաբերաբար։ ∆G = ∆H-T∆S, որտեղ ∆G ն ներկայացնում է Գիպսի էներգիան է, ∆H ը էնթալպիայի փոփոխությունը իսկ ∆S ը էնթրոպիայի փոփոխությունը։ Քանի որ ∆H ը դրական է հալման և գոլորշիացման համար, հետևաբար հասկանալի է, որ ∆S ի աճն է ∆Gին դարձնում բացասական և ստեղծում այսպիսի փոփոխություններ։

pH-ի սանդղակը. H+ և (OH)- իոնների կոնցետրացիանների նշանակություն 
pH-ի սանդղակը իրենից ներկայացնում է հարմար տարբերակ H+ և (OH)- իոնների իրական կոնցետրացիանների նշանակման համար, ցանկացած ջրային լուծույթում, որի թթվայնությունը ընկած է 1,0 M H+-ից մինչև 1,0 M (OH)- սահմաններում։

Նեյտրալ լուծույթներում, երբ pH-ը ընդունում է 7,0 արժեքը դա պատահական վերցված թիվ չէ։ Այդ արժեքը ստացվել է ջրի իոնականան արտահայտումից 250C-ում։ Այն լուծույթները, որոնց համար pH-ը ընդունում է 7-ից բարձր արժեք, ապա տվյալ լուծույթը թթվային է։ Քանի որ (OH)- իոնների կոնցետրացիան ավելի մեծ է քան H+ իոններինը։ Ու հակառակը երբ pH-ը փոքր է 7-ից, ապա լուծույթը թթվային է։ Շատ կարևոր է նաև այն, որ pH-ի սանդղակը լոգարիթմական է, այլ ոչ թե թվաբանական։ Եթե մեզ հայտնի է, որ երկու լուծույթներ իրարից տարբերվում են pH-ի մեկ միավորով, դա նշանակում է, որ այդ լուծույթներից մեկի մեջ (որի pH-ը բարձր է) H+ իոնների կոնցետրացիան 10 անգամ գերազանցում է, քան մյուս լուծույթինը։

pH-ի չափումը կենսաքիմիայում ամենաշատ հանդիպող պրոցեդուրաներից է, քանի որ pH-ից է  կախված շատ կառուցվածքային առանձնահատկություններ և որոշ կենսաբանական մոլեկուլների ակտիվությունը։ Ավելին արյան և մեզի pH-ի չափումը շատ սովորական պրոցեդուրա է, երբ ախտանշում են ինչ-որ հիվանդություն։ Օրինակ՝ այն մարդկանց մոտ, ովքեր տառապում են ծանր տեսակի դիաբետով, pH-ը ավելի ցածր է քան սովորական մարդում մոտ (pH=7,4), և այդ կարգավիճակը անվանում են ացիդոզ։ Եվ կարող է լինել հակառակ վիճակը, երբ հիվանդության պատճառով pH-ը բարձրանում է նորմայից այս վիճակը կոչվում է ալկալոզ։

Ջրի իոնական արտադրյալ (Kw) 
Ջրի իոնական արտադրյալի շնորհիվ մենք կարող ենք հաշվել H+ քանակը, եթե հայտնի է (OH)- իոնների կոնցետրացիան ու հակառակը։ Երբեմն քանակական նկարագրության համար, հաշվում են (OH)- իոնների կոնցետրացիան լուծույթներում, օգտագործելով pOH մեծությունը։ pOH-ի հավասարումը նման է pH-ի հավասարմանը։ Պետք է հիշել, որ pH և pOH մեծությունները կապված են միմյանց հետ հետևյալ հարաբերությամբ՝

Ջրի կոշտության որոշումը 
Կոշտությունը բնական ջրերի որակը և բաղադրությունը բնութագրող տեխնոլոգիական ցուցանիշն է։ Կոշտ համարվում է այն ջուրը, որի մեջ բարձր է Ca2+ և Mg2+ քանակությունը։
Ca2+ և Mg2+ իոնների կոնցենտրացիանների գումարը հանդիսանում է ջրի կոշտության քանակական չափը
Ж=C(Ca2+)+C(Mg2+)
Կոշտությունը չափում են 1 կգ ջրում կոշտության իոնների՝ Ca2+ և Mg2+ Էկվիվալենտով (մմոլ/կգ)։ Կապված այն բանի հետ, որ ջրի խտությունը մոտ է մեկի, կոշտությունը կարելի է չափել մմոլ/դմ կամ մմոլ/լ-ով։
Ջրի կոշտության հետ կապված հաշվարկները անելիս պետք է նկատի ունենալ, որ
Э(Ca2+)=1/2 Ca2+ և Э(Mg2+)=1/2 Mg2+
MЭ(Ca2+)=1/2Mи (Ca2+)=20գր/մոլլ և
MЭ(Mg2+)=1/2Mи (Mg2+)=12գր/մոլլ
որտեղ MЭ-Էկվիվալենտի մոլեկուլային զանգվածն է, 
իսկ Mи իոնի մոլեկուլային զանգվածը։
Օրինակ՝ 0,2գ-ը 0,01 մոլ կամ 10 մմոլ զանգված է, էկվիվալենտ Ca2+։
Տարբերակում են ջրի ընդհանուր Жо, կարբոնատային (ժամանակավոր) Жк և ոչ կարբոնատային Жнк։
Կապված այն հանգամանքի հետ, որ օդում բավականին մեծ է Co2-ի քանակությունը, բնական ջրի մեջ կա լուծված ածխածնի դիօքսիդ։ Ընթանում է փոխազդեցություն CՕ2-ի և H2O-ի միջև։
CՕ2 + H2O = H2CՕ3 = H+ + HCO3
Արդյունքում առաջանում է հիդրոկարբոնատ իոն։
Ջրի մեջ Ca2+ և Mg2+ կոնցենտրացիայի համարժեքությունը HCO3 իոնի քանակությունը որոշում է կարբոնատային կոշտությունը, իսկ Ca2+ և Mg2+ իոնների կոնցենտրացիայի էկվիվալենտությունը մնացած անիոնամների (SO42-, Cl- և այլն) հետ որոշում է ոչ կարբոնատային կոշտությունը։ Կարբոնատային և ոչ կարբոնատային կոշտությունների գումարը կազմում է ջրի ընդհանուր կոշտությունը։  
Այսպիսով ջրի ժամանակավոր կոշտությունը առաջանում է հիդրոկարբոնատների՝ Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 առկայությամբ, իսկ մշտական կոշտությունը առաջանում է Ca2+ և Mg2+ սուլֆատների և քլորիդների առկայությամբ։
Ջրի որակի վերահսկման ժամանակ որոշում են ջրի կոշտությունը։ Ընդհանուր կոշտությունը որոշելու համար օգտվում են կոմպլեքսոնոմետրիայի մեթոդից։
Այդ մեթոդի հիմքում ընկած է ջրի տիտրումը բուֆերային ամոնիակի լուծույթի (pH=9,0)և կոմպլեկսոն III ինդիկատորի առկայությամբ, մինչև վարդագույնի փոխարինումը երկնագույնի։ Անալիզի ժամանակ օգտագործում են հետևյալ ինդիկատորներից մեկը՝ կապույտ K-ի թթվային քրոմը կամ սև էրիոխրոմ T
Ca2+ և Mg2+ իոնների առկայության դեպքում այս ինդիկատորները ներիվում են վարդագույն, բացակայության դեպքում՝ երկնագույն։

Շշալցված և Երևանի տարբեր համայնքների ջրերի որակի ուսումնասիրություն

Ծանոթագրություններ

Աղբյուրներ 
 Lehninger Principles of Biochemistry 5 ed., David L. Nelson, Michael M. Cox, W. H. Freeman, 1100 pages

Ջրի որակ