Природные воды, содержащие до 0,1% растворенных веществ, называются пресными, от 0,1 до 2,5% - минерализованными (солоноватыми), от 2,5 до 5% - водами с морской соленостью, более 5% - рассолами (см. Физику растворов). Из неорганических соединений в воде растворимы большинство солей кислот и оснований. Растворы этих веществ являются электролитами.

К числу главных растворенных минеральных компонентов природных вод принадлежат ионы Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Н⁺, Cl^-, НСО₃^-, СО₃^2-, SO₄^2- и газы O₂, N₂, СО₂ и H₂S. В малых количествах coдepжaтcя ионы Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Br^-, I^-, F^-, BO₂^-, HPO₄^2-, SO₃^2-, HSO₄^-, S₂O₃^2-, HS^-, HSiO₃^-, HSO₃^- и газы CH₄, Ar, He, Rn. Остальные вещества находятся в воде в крайне малых количествах. По содержанию взвешенных веществ и окрашенных гумусовых соединений различают высокомутные и высокоцветные воды. Кроме окрашенных органических примесей в природных водах присутствуют и бесцветные органические вещества - продукты жизнедеятельности микроорганизмов и соединения, поступающие со сточными водами. В наибольших количествах в природных подах содержатся гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочноземельных и щелочных металлов; в меньших - их нитраты, нитриты, силикаты, фториды, фосфаты и соли других кислот.

Вода - слабый амфолит, и поэтому в ней всегда содержатся в небольших количествах ионы Н⁺ и ОН^-. Активная концентрация водородных ионов в природных и сточных водах обычно характеризуется величиной рН. Результат измерения рН воды очень важен для характеристики ионных равновесий в растворе и биологических факторов среды. В дистиллированной воде, лишенной растворенных солей, в результате растворения СО₂ из воздуха значение рН снижается до 5,7, вода становится слабокислой; наиболее низкое значение рН (около 2,8) наблюдается, если над водой будет находиться лишь СО₂. В отдельных случаях рН природных маломинерализованных (особенно болотных) вод ниже 4 вследствие наличия в них органических кислот в основном гумусового происхождения; значения рН низкие и у железистых вод. рН большинства природных вод находится в пределах 6,5-8,5, что объясняется присутствием в них ионов HCO₃^-. Как правило, рН поверхностных вод вследствие меньшего содержания в них CO₂ выше, чем рН подземных вод. рН вод горных озер ниже 6, так как они маломинерализованы и количество ионов НСО₃^- в них невелико. При летнем интенсивном фотосинтезе, осуществляемом планктоном, в воде открытых водоемов уменьшается и даже исчезает СО₂, а рН при этом возрастает до 9 и выше; в зимний период при ослаблении фотосинтеза и накоплении СО₂ рН воды понижается. Кроме сезонных колебаний рН воды существенные изменения его значения наблюдаются и в течение суток в связи с прекращением фотосинтеза в ночное время; колебания эти невелики из-за буферного действия ионов НСО₃^-. Гидрокарбонатные ионы появляются в природных водах вследствие растворения присутствующей в них углекислотой известняков, содержащихся в осадочных породах. Эти анионы есть во всех водах, кроме мягких вод с рН ниже 4. В пресноводных источниках они доминируют. Значения рН большинства природных вод обусловлены наличием в них именно этих ионов. Содержание гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах обычно редко превышает 250 мг/л, а в водах северных водоемов и ряда горных рек концентрация их составляет около 50 мг/л. Такое явление связано с тем, что для устойчивости ионов НСО₃^- в воде необходимо присутствие соответствующих количеств равновесной СО₂, содержание которой лимитируется малым парциальным давлением углекислоты в воздухе. Карбонатные ионы образуются в природных водах из ионов НСО₃^- при потере части равновесной CO₂ или при усилении щелочной реакции среды. Содержание их в пресных водах при наличии ионов Са²⁺, как правило, невелико вследствие малой растворимости СаСО₃. Обычно значительная часть природных вод находится в состоянии насыщения их карбонатом кальция.

Концентрация ионов SO₄^2- в природных водах, содержащих ионы Са²⁺, не превышает 1500 мг/л вследствие малой растворимости CaSO₄, однако в сильноминерализованных водах в результате уменьшения активности ионов концентрации ионов SО₄^2- часто более высокие. Так, в морской воде с содержанием солей 35 г/кг и Са²⁺ - 0,0104 моль/кг концентрация SO₄^2- достигает 2,7 г/кг. Появляются сульфаты в природных водах в основном при растворении гипса (CaSO₄ * 2Н₂О); имеют место также процессы, связанные с окислением самородной серы и сульфидных соединений до сульфатов. В анаэробных условиях сульфатные ионы восстанавливаются сульфатредуцирующими бактериями до сероводорода. Такие явления наблюдаются в морях, а также в водах нефтяных пластов. Галогенидные ионы представлены в природных водах главным образом хлорид-ионом. Остальные галогениды находятся в крайне рассеянном состоянии и обычно присутствуют в воде в незначительных количествах. Содержание хлорид-ионов в воде природных водоемов варьирует в широких пределах. В речной и озерных водах, особенно в северных районах нашей страны, концентрация их невелика. Однако с увеличением минерализации воды абсолютное н относительное количество Сl^- возрастает; в морях и большей части соляных озер он является главным анионом; в морской воде хлорид-ионы составляют 87% массы всех анионов. Объясняется это хорошей растворимостью хлоридов кальция, магния, натрия и малой растворимостью CaSO₄ и CaCO₃. Появление хлорид-ионов в природных водах связано с нымываннем хлоридов из осадочных пород и колоссальных залежей NaCl, а также из продуктов выветривания магматических пород, в которых хлор содержится в виде хлорапатита; попадает в воду и в результате вулканических выбросов. Наконец, широкому рассеянию ионов хлора способствует промышленная и физиологическая деятельность человека: ион Cl^- не усваивается живыми организмами.

Концентрация фтора в поверхностных водах обычно невелика - ниже санитарной нормы (0,7-1,5 мг/л); в подземных водах содержание фтора иногда значительно превышает эти нормы.

Ионы щелочноземельных металлов - магния и кальция,- как известно, определяют общую жесткость воды. Жесткость воды принято выражать в миллиграмм-эквивалентах на литр. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость, сумма которых равна общей жесткости воды. Первая обусловлена растворенными в воде карбонатами и гидрокарбонатами Са²⁺ и Mg²⁺, вторая - остальными солями этих катионов (хлоридами, сульфатами и др.). Различают также кальциевую к магниевую жесткость воды. В других странах жесткость воды выражают в условных градусах: немецкий градус соответствует 10 мг СаО в 1 л воды (1 мг MgO эквивалентен 1,4 мг СаО); французский градус - 10 мг СаСО₃ в 1 л воды; американский градус соответствует 1 мг СаСО₃ в 1 л воды (1 гран в 1 американском галлоне); английский градус - 10 мг СаСО₃ в 0,7 л воды (1 гран в 1 английском галлоне). Ион магния очень распространен в природных водах; по общему содержанию в воде он занимает второе место среди катионов, уступая первое иону натрия. Однако мало встречается вод, где доминирующим катионом является Мg²⁺,- в маломинерализованных водах первое место принадлежит Сa²⁺, в сильноминерализованных - Na⁺. Поступают ионы магния в воду при растворении содержащейся в ней углекислотой доломитов (MgCO₃ + CaCO₃), мергелей и продуктов выветривания таких коренных пород, как биотит, оливин и др.; растворимость MgCO₃ значительно выше растворимости СаСО₃. Ион кальция - главный катион в маломниерализованнмх водах. Однако в связи с малой растворимостью СаСО₃ и CaSO₄ концентрация Са²⁺ в природных водах очень редко превышает 1 г/л. Обычно она значительно ниже. В гидрокарбонатных водах с минерализацией до 500 мг/л соотношение Са²⁺/Mg²⁺ находится в пределах от 4/1 до 2/1, что объясняется большим содержанием в осадочных породах кальция, чем магния. С увеличением минерализации воды до 1000 мг/л это соотношение доходит до 1/1, при дальнейшем повышении минерализации содержание Mg²⁺ обычно превышает содержание Са²⁺. Поступают ионы кальция в природные воды при растворении известняков и гипса. Растворение известняков, а также содержащих кальций алюмосиликатов происходит под действием присутствующей в воде углекислоты. Реакция эта обратима, концентрация образующихся гидрокарбонатных ионов зависит, как отмечалось выше, от содержания в воде равновесной углекислоты; при уменьшении ее количества протекает обратный процесс выделения в осадок нерастворимого карбоната кальция. Такие явления наблюдаются при выходе на поверхность богатых Са(НСО₃)₂ подземных вод с образованием туфов. Огромные количества гидрокарбоната кальция выносятся реками в моря и океаны, где в результате частичной потери углекислоты образуются пересыщенные растворы CaCO₃. Карбонат кальция расходуется на построение скелетов морских организмов, которые после отмирания опускаются на дно, образуя мощные отложения известняков.

Из ионов щелочных металлов в природных, особенно в морских, водах находятся в больших количествах ионы натрия, в меньших - калия, а также рубидия (около 0,2 мг/л) и лития (около 0,1 мг/л). По распространенности в природных водах Na⁺ занимает первое место, составляя более половины всех содержащихся в них катионов. Количество К⁺ обычно составляет 4-10% числа присутствующих в воде ионов Na⁺ (в мaлoминepaлизoвaнныx водах - больший процент). В пресных водах концентрация Na⁺ + К⁺ обычно не превышает нескольких миллиграммов на литр; с увеличением минерализации содержание натрия резко возрастает. В водах с солесодержанием несколько граммов на 1 кг Na⁺ обычно становится доминирующим катионом; в морской воде его содержание составляет почти 84% массы всех присутствующих в ней катионов. Поступление ионов Na⁺ и К⁺ в природные воды обусловлено выщелачиванием их при выветривании коренных пород, содержащих алюмосиликаты натрия (оливина, альбита, нефелина и др.), и кислых пород вулканического происхождения, содержащих калий (ортоклаза, мусковита, плагиоклаза, биотита н др.). Ионы Na⁺ появляются и в результате растворения NaCl, присутствующего в осадочных породах в виде огромных залежей, а также вследствие обменной адсорбции нз растворов Са²⁺ в породах: взамен поглощенных ионов кальция в воде появляются эквивалентные количества Nа⁺. В породах вулканического происхождения содержание натрия и калия примерно одинаковое. Большое значение отношения Na⁺/К⁺ в воде объясняется лучшей сорбцией К⁺ поглощающим комплексом почв и пород, а также тем, что он извлекается растениями в больших количествах, чем натрий. Соединения азота в природных водах представлены кроме упоминавшегося ранее аммиака, присутствующего обычно в виде нона NН₄⁺, еще нитритами и нитратами, которые являются продуктами его окисления под влиянием физико-химических и биохимических факторов. Процесс распада органических веществ до NH₃ протекает значительно быстрее, чем процесс их минерализации до NO₂^- и NO₃^-. Во втором процессе наибольшую скорость имеет первая фaзa - превращение NH₄⁺ в NO₂^-, вторая же фаза - окисление NO₂^- в NO₃^- - протекает значительно медленнее. На скорость процесса нитрификации сильно влияет температура - ниже 9 °С он замедляется; оптимальное значение рН среды для нитритных бактерий от 5,5 до 7,3, а для нитратных - от 7,0 до 9,3. Причиной появления соединений азота в воде кроме биологических загрязнений является и прямая фиксация азота из атмосферы клубеньковыми бактериями. Источником обогащения воды нитратами являются также окислы азота, образующиеся при грозовых разрядах и попадающие в водоемы с дождевыми водами. Наименьшие количества промежуточного продукта нитрификации NО₂^- содержатся в поверхностных водах - сотые и тысячные доли, в подземных водах - сотые и десятые доли миллиграмма на литр; концентрация N0₃^- в воде значительно больше, в грунтовых водах верхних горизонтов количество его достигает иногда нескольких десятков миллиграммов на литр. Соединения азота являются питательными веществами для растительных организмов, и в период вегетации их количество в поверхностных водах резко снижается. В зимний период после отмирания биологических объектов возобновляется регенерация нитратов в результате минерализации органического вещества. Ион NO₃^- может распадаться также под действием денитрифицирующих бактерий: процесс этот протекает при недостатке кислорода в воде и наличии безазотистых органических веществ (крахмала, кислот и др.).

Железо в природных водах встречается в виде двух- и трехвалентных ионов, а также в виде органических и неорганических соединений, находящихся в коллоидном состоянии, или в виде тонкодисперсных взвесей (органокомплексы железа, гидроксиды окисного и закисного железа, сульфиды и др.). В поверхностных водах железо, обычно в окисной форме, содержится главным образом в органических комплексах (гуматы), а также в виде коллоидных и тонкодисперсных взвесей. В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода железо преимущественно находится в виде двухвалентных ионов. Содержание железа в поверхностных водах доходит иногда до 1 мг/л; в подземных - до 10 мг/л и более. Воды, количество железа в которых велико, обычно имеют кислую реакцию. Появляется железо в природных водах в результате перехода его из различных горных пород под действием окислителей (кислорода) или кислот (угольной, органических). Марганец в природных водах содержится, как правило, в меньших концентрациях, чем железо, и встречается реже. В подземных водах, не содержащих растворенного кислорода, он находится в виде двухвалентных ионов, в поверхностных высокоцветных водах - в виде органических соединений, в том числе в коллоидном состоянии.

Другие металлы встречаются в природной воде в очень незначительных концентрациях. Более детальные сведения имеются для морской воды. В водах рек и пресных озер в среднем содержится, мг/л: Со - 0,0048, Ni - 0,001, Zn - 0,02. Сu - от 0,0001 до 0,01; наблюдается некоторое повышение содержания этих металлов в воде вблизи рудных месторождений. Большие концентрации металлов в воде - результат промышленного загрязнения.

Большинство определений ионных примесей воды может быть выполнено на фотоэлектроколориметре с использованием цветных реакций, а также с помощью различных автоматических лабораторных титрометров фотометрического или электрометрического типа. Для измерения рН воды широко применяются как лабораторные, так и промышленные рН-метры со стеклянными электродами. В отдельных случаях могут использоваться металлооксидные электроды, например сурьмяный, молибденовый и др. Имеются также стеклянные электроды для определения содержания в растворе натрия и калия; обычно концентрацию их определяют на пламенном фотометре. Изготовляются электроды с ионселективными мембранами для определения в воде фтора, хлора, брома, иода, сульфидов, сульфатов. Разработаны также электродные системы для измерения концентрации ионов кальция, магния, нитратов и др. Следует, однако, отметить, что с помощью электродов определяется лишь активная концентрация ионов.