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.

CO2 – 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;