Кислотно – основное равновесие в природных водоемах

Соблюдению электронейтральности растворов в природных поверхностных водах

соответствует уравнение:

2[Са²⁺] + [Nа⁺] + 2[Mg²⁺ ] + [K⁺ ] + [H⁺] = 2[СO₃ ^2-] + 2[SO₄ ^2- ] + [Cl ^-]+[HСO₃ ^-].

В отсутствии процессов растворения и образования новых фаз ионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺. Cl^-, SO₄^2- не будут оказывать влияния на рН образующихся растворов. Кислотно – основное равновесие будет определяться присутствием ионов НСО₃^- и СО₃^2-. Поэтому для большинства природных вод концентрация ионов водорода определяется содержанием гидрокарбонат- и карбонат –ионов. В этих растворах при рН =7 будет соблюдаться равество:

[H⁺] = 2[СO₃ ^2-] + [OH ^-] + [HСO₃ ^-].

Карбонатная система и рН атмосферных осадков.

В контакте с водой диоксид углерода растворяется до наступления равновесия:

CO_{2 (г)} ↔ CO_{2 (р-р)} + Н₂О = Н₂СО₃.

Угольная кислота диссоциирует по первой ступени с образованием ионов водорода и гидрокарбоната:

Н₂СО₃ ↔ [HСO₃ ^-].+ [H⁺]. c K₁ = a(HCO₃^-) a (H⁺) / a (H₂CO₃).

Диссоциация угольной кислоты по второй ступени протекает значительно слабее и приводит к появлению карбонат–иона:

HСO₃ ^-↔CO₃^2-+ H⁺; c K₂ = a(CO₃^2-) a (H⁺)/a(HCO₃^-).

Анализ трех вышеприведенных уравнений, описывающих процесс растворения диоксида углерода в воде, позволяет вывести уравнение зависимости концентрации ионов водорода в растворе от парциального давления диоксида углерода в воздухе.

Учитывая малую долю недиссоциированной уголной кислоты в растворе

(не более 1% суммы концентраций СО₂ и Н₂СО₃) и значительные трудности разделения этих двух составляющих при экспериментальном определении их в растворе, под концентрацией Н₂СО₃ обычно подразумевают концентрацию растворенного диоксида углерода, которая в соответствии с законно Генри равна: [CO₂] _р-р = K_Г(CO₂) ∙ P(CO₂),

где [CO₂] _р-р - концентрация растворенного диоксида углерода, моль/л; K_Г(CO₂) - константа Генри дл я углекислого газа, моль/(л ∙Па) или моль/(л ∙атм); P(CO₂) – парциальное давление диоксида углерода в воздухе (Па или атм).

Тогда: К₁ = [H⁺]² / [H₂CO₃] = [H⁺]² / [CO₂]_р-р;

К₁ = [H⁺]² / K_Г(CO₂) ∙ P(CO₂); или

[H⁺] = (К₁ K_Г(CO₂) ∙ P(CO₂)) ^1/2; и рН = -lg [H⁺] = - ½ lg (К₁ K_Г(CO₂) ∙ P(CO₂).