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: СО 2, Н 2СО 3, НСО 3 -, СО 3 2-, Са 2+, 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, СаСО 3. 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 СО 2находится 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 СО 2, в воде появляются ионы СО 3 2-и НСО 3 -. Устанавливается подвижное равновесие:
От количественных соотношений между НСО 3 -, СО 3 2-– ионами и СО 2зависит концентрация водородных ионов Н +.
Содержание карбонатных ионов лимитируется концентрацией ионов Са 2+, образующих с ионами СО 3 2-труднорастворимый осадок СаСО 3,растворимость которого определяется произведением активностей:
Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является оксид углерода (IV) (Н 2СО 3+ СО 2). 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 СО 2понижает значения рН, уменьшает содержание СО 3 2-, 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 СО 2в раствор переходят ионы НСО 3 -и СО 3 2-до установления нового равновесия между НСО 3 -и СО 2, между СО 3 2-и Са 2+. Наоборот, при уменьшении СО 2повышается значение рН и концентрация СО 3 2-и создается пересыщение воды СаСО 3, 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 СаСО 3;
5) возможность перехода компонентов в твердую фазу.
Рассмотрим условия устойчивости карбонатной системы. Основными равновесие СО 2, растворенного в воде с СО 2, находящимся над раствором;
1) соответствие содержания Са 2+и СО 3 2-с величиной произведения активностей этих ионов (S CaCO3) 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:
Читать дальше