Щелочность

редактировать
Способность воды противостоять изменениям pH, которые могут сделать воду более кислой Щелочность поверхности моря (из GLODAP климатология ).

Щелочность (от арабского «al-qalī») - это способность воды противостоять изменениям pH, которые делают воду более кислой.. (Не следует путать с основностью, которая является абсолютным измерением по шкале pH.) Щелочность - это сила буферного раствора, состоящего из слабых кислот. и их конъюгированных оснований. Измеряется путем титрования раствора монопротовой кислотой, такой как HCl, пока его pH не изменится резко или не достигнет известной конечной точки, где это произойдет. Щелочность выражается в единицах мэкв / л (миллиэквиваленты на литр ), что соответствует количеству монопротоновой кислоты, добавленной в качестве титранта в миллимолях на литр.

Хотя щелочность в первую очередь термин, используемый океанологами, он также используется гидрологами для описания временной твердости. Кроме того, измерение щелочности важно для определения способности потока нейтрализовать кислотное загрязнение от дождевых осадков или сточных вод. Это один из лучших показателей чувствительности потока к поступлению кислоты. В результате антропогенного воздействия могут наблюдаться долгосрочные изменения щелочности ручьев и рек.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Упрощенное резюме
  • 3 Подробное описание
  • 4 Теоретическое рассмотрение
  • 5 Примеры проблем
    • 5.1 Сумма вносящих вклад частиц
    • 5.2 Добавление CO 2
    • 5.3 Растворение карбонатной породы
  • 6 Щелочность океана
    • 6.1 Процессы, увеличивающие щелочность
    • 6.2 Процессы, снижающие щелочность
    • 6.3 Глобальная временная изменчивость
    • 6.4 Пространственная изменчивость
    • 6.5 Наборы данных измерений
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки
    • 9.1 Калькуляторы карбонатной системы

История

В 1884 году профессор Вильгельм (Уильям) Диттмар из колледжа Андерсон, ныне Университет Стратклайда, проанализировал 77 образцов нетронутой морской воды со всего мира, привезенных им. Он обнаружил, что в морской воде основные ионы находятся в фиксированном соотношении, подтверждая гипотезу Йохана Георга Форчхаммера, которая теперь известна как Принцип постоянных пропорций. Однако было одно исключение. Диттмар обнаружил, что концентрация кальция была немного выше в глубинах океана, и назвал это повышение щелочностью.

1884 был также годом, когда Сванте Аррениус представил свои кандидатские диссертации, в которых он отстаивал существование ионов в растворе и определял кислоты как гидроксоний доноров ионов и оснований в качестве доноров ионов гидроксида. За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году.

Упрощенное резюме

Щелочность примерно означает количество оснований в растворе, которое может быть преобразовано в незаряженные частицы сильной кислотой.. Цитируемый автор, Джеймс Древер, приводит уравнение, выраженное в молярных эквивалентах, что означает количество молей каждого типа иона, умноженное на (абсолютное значение) заряда иона. Например, 1 моль HCO 3 в растворе представляет 1 молярный эквивалент, в то время как 1 моль CO 3 составляет 2 молярных эквивалента, поскольку для балансировки заряда потребуется вдвое больше ионов H.. Суммарный заряд раствора всегда равен нулю.

Цитата со страницы 52: «Ионы, такие как Na, K, Ca, Mg, Cl, SO 4 и NO 3, можно рассматривать как« консервативные » в том смысле, что на их концентрацию не влияют изменения pH, давления или температуры (в пределах диапазонов, обычно встречающихся у поверхности земли, и при условии отсутствия осаждения или растворения твердых фаз или биологических превращений) ».

В левой части уравнения находится сумма консервативных катионов минус сумма консервативных анионов. Уравновешивание этого с правой стороны - это сумма анионов, которые могут быть нейтрализованы добавленными ионами H (неконсервативными анионами), минус уже присутствующие ионы H, на что указывает pH. Все числа являются молярными эквивалентами.

Этот член справа называется общая щелочность . По словам Древера, он «формально определяется как эквивалентная сумма оснований, титруемых сильной кислотой (Stumm and Morgan, 1981)». Список ионов, показанный справа в Древере: «m HCO 3+ 2m CO3+ m B (OH) 4+ m H3(SiO) 4+ m HS + m органические анионы + m OH - m H ". Общая щелочность измеряется путем добавления сильной кислоты до тех пор, пока все перечисленные выше анионы не превратятся в незаряженные частицы. Общая щелочность не зависит (сильно) от температуры, давления или pH, хотя значения отдельных составляющих, в основном, являются преобразованием между HCO 3 и CO 3.

. Древер далее отмечает, что в большинстве природных вод, все анионы, кроме HCO 3 и CO 3, имеют низкие концентрации. Таким образом, карбонатная щелочность, которая равна m HCO 3+ 2m CO3, также приблизительно равна общей щелочности.

Подробное описание

Щелочность или ATизмеряет способность раствора нейтрализовать кислоты до точки эквивалентности карбоната или бикарбоната. Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе. В естественной среде карбонатная щелочность имеет тенденцию составлять большую часть общей щелочности из-за обычного присутствия и растворения карбонатных горных пород и присутствия диоксида углерода в Атмосфера. Другие общие природные компоненты, которые могут способствовать щелочности, включают борат, гидроксид, фосфат, силикат, растворенный аммиак, конъюгированные основания некоторых органических кислот (например, ацетат ) и сульфат. Растворы, полученные в лаборатории, могут содержать практически неограниченное количество оснований, которые способствуют щелочности. Щелочность обычно указывается в единицах миллиэкв / л (миллиэквивалент на литр). В коммерческих целях, как и в производстве плавательных бассейнов, щелочность также может быть указана в частях на миллион эквивалента карбоната кальция (ppm CaCO 3).

Щелочность иногда неправильно используется как синоним основности. Например, добавление CO 2 снижает pH раствора. Это увеличение снижает основность; однако щелочность остается неизменной (см. пример ниже ). Для определения общей щелочности гидрологи используют 0,1 NH 2SO4вместе с фенолфталеином индикатором pH.

Теоретическая обработка

В типичных грунтовых водах или морская вода, измеренная щелочность устанавливается равной:

AT= [HCO 3]T+ 2 [CO 3]T+ [B (OH) 4]T+ [OH] T + 2 [PO 4]T+ [HPO 4]T+ [SiO (OH) 3]T- [H] sws - [HSO 4]

) (индекс T указывает на общую концентрацию частиц в растворе, как измерено. Это противоположно свободной концентрации, которая учитывает значительное количество взаимодействий ионных пар, которые происходят в морской воде.)

Щелочность может быть измерена путем титрования образец с сильной кислотой до тех пор, пока не будет израсходована вся буферная способность вышеупомянутых ионов выше pH бикарбоната или карбоната. Эта точка функционально установлена ​​на pH 4,5. На данный момент все представляющие интерес основания протонированы до разновидностей нулевого уровня, следовательно, они больше не вызывают щелочности. В карбонатной системе ионы бикарбоната [HCO 3 ] и ионы карбоната [CO 3 ] превратились в угольную кислоту [H 2CO3] при этом pH. Этот pH также называется точкой эквивалентности CO 2, где основным компонентом в воде является растворенный CO 2, который превращается в H 2CO3в водном растворе. На данный момент нет сильных кислот или оснований. Следовательно, щелочность моделируется и количественно определяется относительно точки эквивалентности CO 2. Поскольку щелочность измеряется относительно точки эквивалентности CO 2, растворение CO 2, хотя он добавляет кислоту и растворенный неорганический углерод, не изменяет щелочность. В естественных условиях растворение основных пород и добавление аммиака [NH 3 ] или органических аминов приводит к добавлению основания в природные воды в точке эквивалентности CO 2. Растворенное в воде основание увеличивает pH и титрует эквивалентное количество CO 2 до бикарбонат-иона и карбонат-иона. В состоянии равновесия вода имеет определенную щелочность, обусловленную концентрацией анионов слабых кислот. Напротив, добавление кислоты превращает анионы слабой кислоты в CO 2, а постоянное добавление сильных кислот может привести к тому, что щелочность станет меньше нуля. Например, при добавлении кислоты в типичный раствор морской воды протекают следующие реакции:

B (OH) 4 + H → B (OH) 3 + H 2O
OH + H → H 2O
PO4+ 2H → H 2PO4
HPO 4 + H → H 2PO4
[SiO (OH) 3 ] + H → [Si (OH) 4]

Из приведенных выше реакций протонирования видно, что большинство оснований потребляют один протон (H), чтобы стать нейтральным веществом, таким образом увеличивая щелочность на один на эквивалент. Однако CO 3 потребляет два протона, прежде чем станет разновидностью с нулевым уровнем (CO 2), таким образом, он увеличивает щелочность на два на моль CO 3. [H] и [HSO 4 ] снижают щелочность, поскольку они действуют как источники протонов. Их часто представляют вместе как [H] T.

Щелочность обычно указывается в мг / л как CaCO 3. (Соединение «as» уместно в этом случае, потому что щелочность является результатом смеси ионов, но сообщается «как будто» все это связано с CaCO 3.) Это может быть преобразовано в миллиэквиваленты на Литр (мэкв / л) путем деления на 50 (приблизительное MW CaCO 3 / 2).

Примеры задач

Сумма составляющих компонентов

Следующие уравнения демонстрируют относительный вклад каждого компонента в щелочность типичного образца морской воды. Вклады даны в мкмолькг-сол и получены из Справочника по методам анализа параметров углекислого газа в морской воде «[1] » (соленость = 35 г / кг, pH = 8,1, температура = 25). ° С).

AT= [HCO 3]T+ 2 [CO 3]T+ [B (OH) 4]T+ [OH] T + 2 [PO 4]T+ [HPO 4]T+ [SiO (OH) 3]T- [H] - [HSO 4 ] - [HF]

Фосфаты и силикаты, являясь питательными веществами, обычно незначительны. При pH = 8,1 [HSO 4 ] и [HF] также незначительны. Итак,

AT= [HCO 3]T+ 2 [CO 3]T+ [B (OH) 4]T+ [OH] T - [H]
= 1830 + 2 × 270 + 100 + 10 - 0,01
= 2480 мкмолькг-раствор

Добавление CO 2

Добавление (или удаление) CO 2 к раствору не изменяет его щелочность, поскольку чистая реакция дает такое же количество эквивалентов веществ, которые вносят положительный вклад (H), что и виды, вносящие отрицательный вклад (HCO 3 и / или CO 3). Добавление CO 2 к раствору снижает его pH, но не влияет на щелочность.

При всех значениях pH:

CO2+ H 2 O ⇌ HCO 3 + H

Только при высоких (основных) значениях pH:

HCO 3 + H ⇌ CO 3 + 2H

Растворение карбонатной породы

Добавление CO 2 к раствору, находящемуся в контакте с твердое вещество может (со временем) влиять на щелочность, особенно карбонатные минералы, контактирующие с грунтовыми или морской водой. Растворение (или осаждение) карбонатной породы сильно влияет на щелочность. Это связано с тем, что карбонатная порода состоит из CaCO 3, и его диссоциация приведет к добавлению Ca и CO 3 в раствор. Ca не влияет на щелочность, но CO 3 увеличивает щелочность на 2 единицы. Повышенное растворение карбонатной породы в результате подкисления в результате кислотных дождей и добычи полезных ископаемых способствовало увеличению концентрации щелочности в некоторых крупных реках на востоке США. Следующая реакция показывает, как кислотный дождь, содержащий серную кислоту, может иметь эффект увеличения щелочности реки за счет увеличения бикарбонат-иона:

2CaCO 3 + H 2SO4→ 2Ca + 2HCO 3 + SO 4

Другой способ записать это:

CaCO 3 + H ⇌ Ca + HCO 3

Чем ниже pH, тем выше будет концентрация бикарбоната. Это показывает, как более низкий pH может привести к более высокой щелочности, если количество произведенного бикарбоната больше, чем количество H, остающегося после реакции. Это так, поскольку количество кислоты в дождевой воде невелико. Если эти щелочные грунтовые воды позже вступят в контакт с атмосферой, они могут потерять CO 2, выпадать в осадок карбонат и, таким образом, снова стать менее щелочными. Когда карбонатные минералы, вода и атмосфера находятся в равновесии, обратимая реакция

CaCO 3 + 2H ⇌ Ca + CO 2 + H 2O

показывает, что pH будет быть связано с концентрацией ионов кальция, причем более низкий pH соответствует более высокой концентрации ионов кальция. В этом случае, чем выше pH, тем больше будет бикарбоната и карбонат-иона, в отличие от парадоксальной ситуации, описанной выше, когда человек не находится в равновесии с атмосферой.

Океанская щелочность

Процессы, повышающие щелочность

Существует множество методов повышения щелочности океана. Возможно, наиболее известным является растворение CaCO 3 (карбоната кальция, который является компонентом коралловых рифов) с образованием Ca и CO 3 (карбоната). Карбонат-ион может поглощать два иона водорода. Следовательно, это вызывает чистое увеличение щелочности океана. Растворение карбоната кальция является косвенным результатом понижения pH океана. Он может нанести большой ущерб экосистемам коралловых рифов, но оказывает относительно небольшое влияние на общую щелочность (A T) в океане. Снижение pH из-за абсорбции CO 2 фактически увеличивает щелочность, вызывая растворение карбонатов.

Анаэробные процессы разложения, такие как денитрификация и восстановление сульфатов, оказывают гораздо большее влияние на щелочность океана. Денитрификация и сульфатредукция происходят в глубинах океана, где отсутствует кислород. Оба эти процесса потребляют ионы водорода и выделяют квазиинертные газы (N 2 или H 2 S), которые в конечном итоге улетучиваются в атмосферу. Это потребление H увеличивает щелочность. Было подсчитано, что анаэробное разложение может составлять до 60% от общей щелочности океана.

Процессы, снижающие щелочность

Анаэробные процессы обычно повышают щелочность. И наоборот, аэробное разложение может снизить A T. Этот процесс происходит в тех частях океана, где присутствует кислород (поверхностные воды). Это приводит к растворению органических веществ и образованию ионов водорода. Увеличение H явно снижает щелочность. Однако растворенное органическое вещество может иметь основные функциональные группы, которые могут поглощать эти ионы водорода и сводить на нет их влияние на щелочность. Следовательно, аэробная деградация оказывает относительно небольшое влияние на общую щелочность океана.

Все эти вышеупомянутые методы являются химическими процессами. Однако физические процессы также могут влиять на A T. Растущее беспокойство вызывает таяние полярных ледяных шапок, которое может способствовать снижению щелочности океана. Если бы лед растаял, общий объем океана увеличился бы. Поскольку щелочность - это величина концентрации (моль / л), увеличение объема теоретически могло бы способствовать уменьшению A T. Однако на самом деле эффект был бы намного сложнее, чем этот.

Глобальная временная изменчивость

Исследователи показали, что щелочность океана изменяется во времени. Поскольку A T рассчитывается по ионам в океане, изменение химического состава приведет к изменению щелочности. Один из способов, которым это может произойти, - подкисление океана. Однако океаническая щелочность относительно стабильна, поэтому значительные изменения могут происходить только в течение длительного времени (то есть от сотен до тысяч лет). В результате сезонная и годовая изменчивость, как правило, очень низкая.

Пространственная изменчивость

Исследователи также показали, что щелочность варьируется в зависимости от местоположения. На локальный A T могут влиять две основные модели смешивания: течение и река. Перемешивание с преобладанием течения происходит недалеко от берега в районах с сильным течением воды. В этих областях тенденции щелочности следуют за течением и имеют сегментированную взаимосвязь с соленостью.

Перемешивание, в котором преобладает река, также происходит недалеко от берега; он наиболее силен вблизи устья большой реки (например, Миссисипи или Амазонки). Здесь реки могут действовать как источник или сток щелочности. A T следует за выходом из реки и имеет линейную зависимость от солености. Такой режим перемешивания наиболее важен в конце зимы и весной, потому что таяние снега увеличивает сток реки. По мере того как сезон переходит в лето, речные процессы становятся менее значительными, и перемешивание течений может стать доминирующим процессом.

Океанская щелочность также следует общим тенденциям, основанным на широте и глубине. Было показано, что A T часто обратно пропорционально температуре поверхности моря (SST). Следовательно, она обычно увеличивается с увеличением широты и глубины. В результате области апвеллинга (где вода из глубин океана выталкивается на поверхность) также имеют более высокие значения щелочности.

Наборы данных измерений

На протяжении всей недавней истории было много попыток измерять, регистрировать и изучать щелочность океана. Некоторые из более крупных наборов данных перечислены ниже.

  • GEOSECS (Исследование геохимических разрезов океана)
  • TTO / NAS (Исследование временных индикаторов в океане / Северной Атлантике)
  • JGOFS (Совместное исследование глобального потока в океане)
  • WOCE (World Эксперимент по циркуляции океана)
  • КАРИНА (двуокись углерода в Атлантическом океане)

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

  • Холмс-Фарли, Рэнди. «Химия и аквариум: что такое щелочность?,» Интернет-журнал Advanced Aquarist. Щелочность в морских аквариумах.
  • DOE (1994) «[2],« Справочник по методам анализа различных параметров системы двуокиси углерода в морской воде.. Версия 2, А. Г. Диксон и К. Гойет, ред. ORNL / CDIAC-74.
  • Набор данных GEOSECS [3]
  • Набор данных JGOFS [4]
  • Набор данных WOCE [5]
  • Данные CARINA set [6]

Калькуляторы карбонатной системы

Следующие пакеты рассчитывают состояние карбонатной системы в морской воде (включая pH):

Последняя правка сделана 2021-06-10 23:44:08
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте