Щелочность природных вод

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  H₂BO₃^-+ Н⁺  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.