София Романова - Карбонатно-кальциевое равновесие в природных водах

• Название: Карбонатно-кальциевое равновесие в природных водах
• Автор: София Романова
• Жанр: Образовательная литература

Методическое пособие для магистрантов по спецкурсу «Химия природных вод и солей Казахстана»

---

С. М. Романова Карбонатно-кальциевое равновесие в природных водах

КАРБОНАТНО-КАЛЬЦИЕВОЕ РАВНОВЕСИЕ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

Создатель учения о природных водах академик В.И.Вернадский неоднократно подчеркивал, что в природе устанавливаются довольно подвижные равновесия между природными водами, газами и твердыми телами.

Из числа равновесий, которые устанавливаются в природных водах, важнейшим является карбонатно-кальциевое. Основными его компонентами являются: СО2, Н2СО3, НСО3-, СО32-, Са2+, Н+.

Карбонатная система в водоемах и водотоках имеет исключительно важное значение, во-первых, для протекающих в них физико-химических, биологических и других процессов. Во-вторых, состоянием карбонатно-кальциевого равновесия определяются условия растворения или осаждения карбонатов, в частности, СаСО3. В-третьих, изучение равновесия имеет большое значение для практических целей, например, для характеристики воздействия воды на строительные сооружения из бетона.

Как же возникает равновесие между указанными компонентами? Большая часть СО2 находится в воде в виде молекул растворенного газа и только около 1 % реагирует с водой, образуя угольную кислоту:

При растворении солей угольной кислоты, происходящей под действием СО2, в воде появляются ионы СО32- и НСО3-. Устанавливается подвижное равновесие:

От количественных соотношений между НСО3-, СО32- – ионами и СО2 зависит концентрация водородных ионов Н+.

Содержание карбонатных ионов лимитируется концентрацией ионов Са2+, образующих с ионами СО32- труднорастворимый осадок СаСО3, растворимость которого определяется произведением активностей:

Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является оксид углерода (IV) (Н2СО3 + СО2). Изменение содержания диоксида углерода в воде вызывает сдвиг равновесия в ту или иную сторону. Таким образом, карбонатно-кальциевая система включает в себя ряд равновесий, составляющих общее подвижное равновесие.

Каждое из отдельных равновесий с количественной стороны характеризуется соответствующей константой, определяющей соотношение между концентрациями компонентов при данных условиях. Изменение в одной части общего равновесия вызывает соответствующее изменение во всей цепи. Например, увеличение в воде СО2 понижает значения рН, уменьшает содержание СО32-, в силу чего вода становится ненасыщенной карбонатом кальция.

Согласно современным представлениям схема карбонатно-кальциевого равновесия имеет вид* (по Хорну Р.) [1].

*Линия, соответствующая давлению, направлена по часовой стрелке, температуре – против часовой стрелки.

В присутствии избытка СО2 в раствор переходят ионы НСО3- и СО32- до установления нового равновесия между НСО3- и СО2, между СО32- и Са2+. Наоборот, при уменьшении СО2 повышается значение рН и концентрация СО32- и создается пересыщение воды СаСО3, которое способствует выделению последнего в осадок.

Изучить состояние равновесия это значит:

1) определить концентрации отдельных компонентов, входящих в уравнение равновесия;

2) установить количественные соотношения между его компонентами;

3) рассмотреть возможность перехода одного компонента в другой;

4) выявить растворимость СаСО3;

5) возможность перехода компонентов в твердую фазу.

Рассмотрим условия устойчивости карбонатной системы. Основными равновесие СО2, растворенного в воде с СО2, находящимся над раствором;

1) соответствие содержания Са2+ и СО32- с величиной произведения активностей этих ионов (SCaCO3) при данных физических условиях и ионной силе раствора:

Факторы, определяющие как первое, так и второе условие в природе изменчивы, поэтому легко создаются условия для сдвига равновесия в ту или иную сторону. Для характеристики отклонения данной системы от устойчивого равновесия могут быть использованы две величины:

1) содержание СО2 избыточное против равновесного, т.н. агрессивный оксид углерода ( IV);

2) степень насыщенности воды карбонатом кальция, т.е. величина

В основе расчета карбонатной системы различных природных вод лежат одни и те же уравнения (таблица 1).

Таблица 1.

Уравнения для расчета карбонатно-кальциевого равновесия [2]

Примечание.

ΣCO2 – общее содержание компонентов карбонатной системы;

CCO2 – концентрация свободного диоксида углерода;

PCO2 – парциальное давление СО2;

SCO2– растворимость СО2 при данной температуре и давлении 105 Па;

Alk – карбонатная щелочность;

[Ci] – концентрация ионов;

[Ci]fi – активность ионов;

aH+ – активность ионов водорода;

fi – коэффициенты активности ионов;

к1 и к2 – термодинамические константы, соответственно, первой и второй ступени диссоциации угольной кислоты;

L0 – термодинамическое произведение растворимости СаСО3;

L – произведение активноcти СаСО3.

* При анализе получают общую щелочность

Alkобщ = НСО3- + 2СО32- + НSiO3- + H2BO3- + HS- + HPO42- + OH– + H+

Однако карбонатная щелочность настолько близка к общей, что в большинстве случаев их не разделяют из-за малой концентрации других составляющих.

** Под концентрацией Н2СО3 подразумевается общая концентрация растворенного СО2 (СО2 + Н2СО3); тем самым допускается, что растворенный СО2 находится в виде Н2СО3.

*** Для недиссоциированной Н2СО3 коэффициент активности равен единице.

Определение концентрации ионов водорода ( рН )

Величина рН природных вод определяется непосредственно у объекта. В последнее время для определения концентраций водородных ионов на сети станций Госкомгидромета стали применяться электрометрические портативные установки с использованием стеклянного электрода. Однако для работы в полевых условиях все еще основным методом определения рН является колориметрический метод. Из колориметрических методов наиболее надежным является метод с буферными растворами [3]. В значения рН необходимо вносить соответствующие значения солевых и температурных поправок. Наиболее удобной формой выражения величины рН можно считать формулу, предложенную К.Бухом [4]:

РНb = рН полев.+ ΔрНs + ΔрНt + α(tb – t' w) – γ(t’w – tw), (10)

где: рНb – величина, определенная колометрическим методом с внесенными солевой и температурными поправками;

рН полев. – величина, определенная колометрическим методом;

ΔрНs – солевая поправка, зависящая от минерализации воды;

ΔрНs – поправка для приведения значений шкалы рН к температуре 18оС (табл.2,3).

α(tb – t' w) – поправка на разность температур буферных растворов и пробы в момент определения рН;

tb – температура буферного раствора шкалы рН;

t' w – температура пробы в момент определения рН;

tw – температура воды в момент ее взятия;

γ(t’w – tw) – поправка на разность температур в момент определения рН и в момент взятия пробы;

α – температурный коэффициент видимого изменения рН, отвечающий изменению константы диссоциации индикатора.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.