Общая щелочность вод. Процессы закисления поверхностных водоемов

Одной из важнейших особенностей большинства природных вод является способность нейтрализовать ионы водорода. Эта способность называется щелочностью воды и определяется экспериментально при титровании пробы воды сильной кислотой в присутствии фенолфталеина и затем метилоранжа.

Основными компонентами, ответственными за процессы связывание водорода, в большинстве природных вод являются ионы НСО₃-, СО₃^2- и ОН^- . Другие ионы (органические кислоты, фосфаты, и т.д.) вносят незначительный вклад в процессы нейтрализации ионов водорода и начинают играть определенную роль лишь после связывания бикарбонат-ионов.

С учетом всех составляющих водных систем, схематически выражение общей щелочности имеет следующий вид:

Alk _общ = [HCO₃^-] + 2[CO₃^2-] + [H₂BO₃^-] + [HSiO₃^-] + [H₂PO₄^-] + 2[HPO₄^2-] + [HS^-] + [OH^-] – [H⁺]

Гидросульфидную щелочность необходимо учитывать при наличии анаэробных условиях. При максимальном содержании фосфатов в воде океанов 3,2 мкмоль/л и рН =8 фосфатная щелочность не может превысить 0,003, т.е ее значение перекрывается погрешностью определения общей щелочности. Максимально возможная силикатная щелочность составляет 0,011 мкмоль/л. Т.о. обобщенная формула щелочности для аэробных условий приобретает вид

Alk _общ = Alk _карб. + Alk _бор. + Alk _общ + Alk _х

Главный вклад в общую щелочность вносят карбонатная и боратная составляющие. Сумма других компонентов, как правило, близка к погрешности.

Боратная щелочность рассчитывается на основе закона действия масс, исходя из связи суммы растворенных соединений бора (H₃BO₃ + H₂BO₃^-) с хлорностью морской воды. Борная кислота диссоциирует по двум ступеням:

H₃BO₃ Û H₂BO₃^-+ Н⁺ Û H⁺ + HBO₃^2-

Но в условиях океана диссоциация по второй ступени пренебреима мала.

Пределы изменчивости общей щелочности в океане сравнительно узки (2,20 – 2,50). Alk _общ зависит от солености воды, поскольку гидрокарбонатные и боратные ионы относятся к компонентам основного солевого состава, но она отражает также и процессы, меняющие состав воды: биологическое удаление или растворение карбоната кальция, поступление материковых вод с иным, чем в океане, соотношением главнейших ионов, образование и таяние льдов.

Изменения щелочности в океанах зависят от следующих факторов:.

1. поступление карбонатов с речным стоком, отчего в приустьевых участках Alk/Cl резко возрастает;

2. извлечение планктонов карбонатов из воды поверхностных слоев низких и средних широт с частичным переходом карбонатсодержащего детрита в донных осадках (уменьшение Alk/Cl);

3. растворение карбонатного детрита в промежуточных слоях океана и карбонатных донных осадках в области недонасыщенных СаСО₃ придонных вод (увеличение Alk/Cl);

4. хемогенное осаждение СаСО₃ и частично MgCO₃ на прогретых мелководьях (уменьшение Alk/Cl);

5. в анаэробных условиях восстановление SO₄^2- до H₂S при одновременном образовании НСО₃^-;

6. образование и таяние льдов, когда по мере нарастания льда хлориды из него вымываются, а карбонаты в нем накапливаются, выпадая из рассола в ячейках льда

Величина щелочности природных вод имеет большое значение и с точки зрения фотосинтеза, протекающего в водоемах. При связывании углерода и синтезе органических соединений, в случае отсутствия дополнительного поступления углекислого газа, в растворе неизбежно поднимется рН, а количество синтезируемых органических соединений зависит от содержания СО₂ и НСО₃^- в растворе или от его щелочности. Поэтому часто щелочность природных водоемов используют в качестве сравнительной характеристики при оценке продуктивности водоемов.

Процессы закисления поверхностных водоемов

Выпадение атмосферных осадков с повышенным по отношению к равновесному содержанием ионов водорода может привести к серьезным изменениям в состоянии поверхностных водных системах озера и пруда. В водоеме можно выделить несколько этапов процесса их закисления. На первом, несмотря на поступление кислых осадков, рН практически не меняется. Ионы бикарбоната. Присутствующие во всех поверхностных водоемах, успевают полностью нейтрализовать поступающие ионы Н⁺: НСО₃^- + Н⁺ → Н₂О + СО₂

Так продолжается до тех пор, пока общая щелочность воды в водоеме не упадет примерно в 10 раз до величины менее 0,1 моль/л. В этом случае в период наиболее интенсивного поступления кислых вод в водоем (осень – обильные дожди и, особенно, весна – таяние снега) возможны значительные отклонения в величине рН поверхностных водоемов. Эти отклонения носят пока выраженный характер и с прекращением интенсивного поступления кислых осадков водоем переходит в обычное состояние, рН поднимается до первоначальных значений. Но даже эти кратковременные изменения чрезвычайно опасны для водных экосистем, поскольку их сроки совпадают с периодами размножения отдельных видов водных организмов. В этом случае изменение рН может привести к нарушению репродукционных функций отдельных организмов или нарушить процесс воспроизводства для определенных популяций. На первом этапе закисления могут погибнуть все земноводные организмы, которые особенно чувствительны к рН.

На второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года; о таких водоемах обычно говорят как об умеренно кислых. На этом этапе закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов.

На третьем этапе закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН< 5 (обычно рН= 4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществи соединений алюминия в водоемах и почвенном слое. Гумусовые соединения в основном представлены в водоемах растворами слабых органических кислот. Связывая или выделяя ионы Н⁺, эти кислоты стабилизируют значение рН в водоеме. Этому способствуют и соединения алюминия, практически всегда присутствующие в почве. При растворении или осаждении соединений алюминия также происходит связывание или выделение ионов водорода.