Фосфатная, сероводородная и карбонатная системы вод

Карбонатная система Неорганические соединения углерода находятся в гидросфере в виде угольной кислоты и ее производных. К ним относятся СО₂, угольная кислота – Н₂СО₃ и карбонат- ионы – СО₃^2-. Эти соединения между собой взаимозависимы и все вместе образуют карбонатную систему.

Карбонатная система представляет собой один из самых сложных комплексов природных равновесий и определяет характер целого ряда процессов и явлений. Растворение и гидролиз карбонатов обусловливают появление в растворе всех производных угольной кислоты, связанных последовательной системой равновесий:

Диссоциация

----------------------à

СО₂ (атм)

↓↑

СО₂ (раств) + Н₂О ↔ Н₂СО₃

↓↑

↓↑ Н⁺ + НСО₃^-

ОН^- + { ↓↑

Н⁺ + СО₃ ^2- + Са²⁺ ↔ СаСО₃ (раств)

↓↑

СаСО₃ (тв.)

Гидролиз

ß-----------------------

Природная карбонатная система водных масс гидросферы стабилизируется, с одной стороны, содержанием СО₂ в атмосфере, с другой - малой растворимостью СаСО₃ – наименее растворимой соли во взвесях или в донных осадках. При добавлении в раствор или удалении из него СО₂ и СаСО₃ будут меняться сумма производных угольной кислоты и соотношения между ними.

Все формы производных угольной кислоты одновременно существуют в растворе, причем соотношения между ними меняются в зависимости от условий. Исходя из двухступенчатой схемы диссоциации угольной кислоты: СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

Общее содержание компонентов карбонатной системы:

Σ _СО2 = [СО₂ + Н₂СО₃] + [НСО₃^-] + [СО₃^2-]

Основным фактором, от которого зависит состояние карбонатных равновесий, является СО₂.

С удалением СО₂ из воды (фотосинтез) растет рН, увеличивается концентрация СО₃^2- и уменьшается концентрация НСО₃^-. Добавление СО₂ приводит к снижению рН, уменьшению концентрации СО₃^2- и повышению концентрации НСО₃^-. Нагревание воды приводит к сдвигу карбонатных равновесий в сторону увеличения концентрации СО₃^2- и снижению концентрации НСО₃^- и молекулярной СО₂.

Фосфатная система. Растворение и гидролиз солей фосфорной кислоты формирует в гидросфере весьма сложную фосфатную систему, которая описывается ступенями диссоциации фосфорной кислоты:

Н₃РО₄ ↔ Н⁺ + Н₂РО₄^- ↔ Н⁺ + НРО₄^2- ↔ Н⁺ + РО₄^3-

В растворе одновременно присутствуют все производные фосфорной кислоты, но при малых концентрациях неорганического фосфора в аэробных условиях гидросферы соотношения между производными фосфорной кислоты диктуется значениями рН, создаваемыми в первую очередь карбонатной системой.

При сравнении констант диссоциации фосфорной кислоты, преобладающей формой является анион НРО₄^2-, некоторое значение имеют анионы Н₂РО₄^- и РО₄^3-, а концентрация Н₃РО₄ пренебрежима мала.

Сероводородная система. Сероводородная система возникает как следствие прямой диссоциации Н₂S на гидросульфидные и сульфидные ионы: Н₂S ↔ H⁺ + HS^- ↔ H⁺ + S^2-

Химическому анализу поддается только сумма всех производных сероводорода:

Σ _Н2S ↔ [Н₂S] +[HS^- ] + [ S^2-]

а концентрации отдельных производных рассчитываются по закону действия масс.

До настоящего времени еще отсутствую точные сведения о зависимости констант диссоциации сероводородной кислоты от разных температур и соленостей гидросферы.

Расчеты для глубин Черного моря показали: от общей суммы (Σ _Н2S) на HS^- приходится 83-89%, на Н₂S – 8-18%, на долю S^2- - около 0,01%.

Константы диссоциации Н₂S меньше констант диссоциации Н₂СО₃. Это приводит к тому, что появление сероводорода в воде вызывает некоторое понижение концентрации водородных ионов и соответствующее повышение рН.