Лекція Хімія гідросфери Укладачі: к ф. м н., Кузишин Ольга Василівна к ф. м н., Базюк Лілія Володимирівна
жүктеу/скачать 0.58 Mb.
|
| 6. Водневий показник рН
Відповідно до необхідності дотримання електронейтральності розчинів у природних поверхневих водах виконується рівність: [Na+] + [К+] + 2[Са2+] + 2[Mg2+] + [Н+] = [Cl–] + [НСО3–] + 2[СО32–] + 2[SO42–] При відсутності процесів розчинення й утворення нових фаз йони Na+, К+, Са2+, Cl–, SO42– не впливають на рН утворених розчинів. Кислотно-основна рівновага буде визначатися присутністю йонів НСО3– та СО32–. Тому для більшості природних вод концентрація йонів гідрогену визначається вмістом гідрогенкарбонат- і карбонат-йонів. У цих розчинах при рН 7 буде існувати рівність: [Н+] = [НСО3–] + 2[СО32–] + [ОН–]. Неорганічні сполуки Карбону, що знаходяться у природних водах у вигляді похідних карбонатної кислоти, тісно взаємопов’язані один з одним і утворюють карбонатну систему. У контакті з водою карбон(ІV) оксид розчиняється до настання рівноваги: CO2(г) CO2(р-н) +Н2О Н2СО3 Карбонатна кислота дисоціює на першій стадії з утворенням гідроген- і гідрогенкарбонат-йонів Н2СО3 Н+ + НСО3–. Константа рівноваги цього процесу дорівнює: К1 = аН+аНСО3- / аН2СО3 Дисоціація карбонатної кислоти по другій стадії протікає значно слабше і приводить до появи карбонат-йонів: НСО3– Н+ + СО32–. Константа дисоціації карбонатної кислоти на другій стадії: К2 = аН+аСО32– / аНСО3–. Якщо відома сумарна активність компонентів карбонатної системи і рН розчину, завжди можна обчислити активність кожного з компонентів карбонатної системи. Для орієнтовних розрахунків зручно використовувати розподільчу діаграму, що являє собою залежність вмісту в мольних частках компонентів карбонатної системи від величини рН розчину (рис. 1). Метод побудови розподільчої діаграми, який є загальним для подібних систем.
Рис. 1. Залежність вмісту компонентів карбонатної системи від рН розчину. Аналіз рівнянь, що описують процес розчинення карбон(ІV) оксиду у воді, дозволяє вивести рівняння залежності концентрації йонів гідрогену в розчині від парціального тиску карбон(ІV) оксиду у повітрі. Константа дисоціації карбонатної кислоти по другій стадії приблизно на чотири порядки менша, ніж константа дисоціації по першій стадії, тому при оцінці впливу карбонатної кислоти на значення рН атмосферних опадів процес дисоціації по другій стадії можна не брати до уваги. Під час дисоціації карбонатної кислоти на першій стадії концентрації гідрогенкарбонатів-йонів, що утворяться, і йонів гідрогену рівні між собою: [Н+] = [НСО3-]. Оскільки розглянутий розчин має низьку концентрацію йонів, можна прийняти, що коефіцієнти активності йонів Н+- і НСО3--йонів дорівнюють одиниці. Тому й активності цих йонів будуть рівні між собою, тоді: К1 = [Н+]2/[Н2СО3]. З огляду на малу частку недисоційованої карбонатної кислоти в розчині (не більш 1% суми концентрацій СО2 + Н2СО3) і значних труднощів поділу цих двох складових при експериментальному визначенні їх концентрацій у розчині, під концентрацією Н2СО3 звичайно мають на увазі концентрацію розчиненого карбон(ІV) оксиду, що відповідно до закону Генрі дорівнює: [СО2]р-н = Кг(СО2)РСО2. де [СО2]р-н – концентрація розчиненого карбон(ІV) оксиду, моль/л; Кг(СО2) – константа Генрі для вуглекислого газу, моль/(л·Па) або моль/(л·атм); РСО2 – парціальний тиск карбон(ІV) оксиду в повітрі (Па або атм). З огляду на це: К1 = [Н+]2/[Н2СО3] = [Н+]2/[СО2]р-н; або К1 = [Н+]2/(Кг(СО2)РСО2). З цього рівняння легко вивести залежність концентрації йонів гідрогену у розчині від парціального тиску карбон(ІV) оксиду в атмосферному повітрі: Звідси легко знайти рH розчину, що знаходиться в контакті з повітрям і містить карбон(ІV) оксид: pH = – lg[H+] = – lg . Необхідно відзначити, що підходи до оцінки значення рH при рівновазі для процесів розчинення таких газів, як, наприклад, CO2, SO2, NH3, у воді, що не містить інших домішок, є загальними. Тому запропоноване рівняння може бути використане для оцінки рH атмосферних опадів, коли в повітрі присутні карбон(ІV) оксид, сульфур(ІV) оксид, амоніак або інші гази й їхні суміші, оскільки у цьому випадку в розчині практично відсутні джерела домішок, здатних вплинути на розглянуті рівноваги. Оцінки, проведені для розчинів, що утворюються при контакті з водою повітря, що містить 0,035% (за об’ємом) карбон(ІV) оксиду і не містить інших кислих газів, показують, що рН утвореного розчину, буде дорівнювати 5,7. Оскільки такий вміст карбон(ІV) оксиду відповідає середнім значенням, характерним останнім часом для атмосферного повітря, варто очікувати, що рН атмосферних опадів у випадку відсутності інших кислих газів і амоніаку буде рівний близько 5,7. У реальних умовах рН атмосферних опадів залежить від ступеня забруднення атмосферного повітря і змінюється як у меншу, так і у більшу сторони. У деяких районах Землі переважають опади з рН < 5,7. Такі опади називають кислотними і часто вживається термін «кислотні дощі». Основний внесок у кислотність таких опадів (до 80%) вносять сполуки Сульфуру, близько 15% припадає на сполуки Нітрогену і до 5% кислотності атмосферних опадів пов’язують зі сполуками Хлору. Для поверхневих вод, що містять невеликі кількості карбон діоксиду, характерна лужна реакція. Зміни pН тісно пов’язані з процесами фотосинтезу (через споживання карбон діоксиду водною рослинністю). Джерелом гідроген йонів є також гумусові кислоти, що присутні в ґрунтах. Гідроліз солей важких металів відіграє роль у зміні pН вод у тих випадках, коли у воду потрапляють значні кількості сульфатів заліза, алюмінію, міді й інших металів: Fe2+ + 2H2O Fe(OH)2 + 2H+ Значення pН у річкових водах звичайно варіює в межах 6,5-8,5, в атмосферних осадах 4,6-6,1, у болотах 5,5-6,0, у морських водах 7,9-8,3. Концентрація гідроген-йонів схильна до сезонних коливань. Зимою розмір pН для більшості річкових вод складає 6,8-7,4, влітку 7,4-8,2. pН природних вод визначається до деякої міри геологією водозбірного басейну. Відповідно вимог до складу і властивостей води водойм пунктів питного водокористування, води водних об’єктів у зонах рекреації, а також води водойм рибогосподарського призначення величина pН не повинна виходити за межі інтервалу значень 6,5-8,5. pH води – один із найважливіших показників якості вод. Значення концентрації гідроген-йонів має велике значення для хімічних і біологічних процесів, що відбуваються в природних водах. Від pН залежить розвиток і життєдіяльність водних рослин, сталість різноманітних форм міграції елементів, агресивна дія води на метали і бетон. pН води також впливає на процеси перетворення різноманітних форм біогенних елементів, змінює токсичність забруднюючих речовин. У водоймі можна виділити декілька етапів процесу її закислення: на першому етапі рН практично не змінюються (карбонат-йони встигають цілком нейтралізувати Н+-йони). Так продовжується доти, поки загальна лужність у водоймі не впаде приблизно в 10 разів до величини менше за 0,1 моль/дм3. на другій стадії закислення водойми рН води звичайно не піднімається вище 5,5 впродовж усього року. Про такі водойми говорять, як про помірно кислі. На цьому етапі закислення відбуваються значні зміни у видовому складі живих організмів. на третьому етапі закислення рН водойм стабілізується на значеннях рН<5 (звичайно рН = 4,5), навіть якщо атмосферні опади мають більш високі значення рН. Це пов’язано з присутністю гумусових речовин і сполук алюмінію у водоймах та ґрунтовому прошарку. жүктеу/скачать 0.58 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|