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: СО_>2, Н_>2СО_>3, НСО_>3^>-, СО_>3^>2-, Са^>2+, 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, СаСО_>3. 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 СО_>2 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 СО_>2, в воде появляются ионы СО_>3^>2- и НСО_>3^>-. Устанавливается подвижное равновесие:

От количественных соотношений между НСО_>3^>-, СО_>3^>2- – ионами и СО_>2 зависит концентрация водородных ионов Н^>+.

Содержание карбонатных ионов лимитируется концентрацией ионов Са^>2+, образующих с ионами СО_>3^>2- труднорастворимый осадок СаСО_>3, растворимость которого определяется произведением активностей:

Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является оксид углерода (IV) (Н_>2СО_>3 + СО_>2). 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 СО_>2 понижает значения рН, уменьшает содержание СО_>3^>2-, 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 СО_>2 в раствор переходят ионы НСО_>3^>- и СО_>3^>2- до установления нового равновесия между НСО_>3^>- и СО_>2, между СО_>3^>2- и Са^>2+. Наоборот, при уменьшении СО_>2 повышается значение рН и концентрация СО_>3^>2- и создается пересыщение воды СаСО_>3, 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 СаСО_>3;

5) возможность перехода компонентов в твердую фазу.

Рассмотрим условия устойчивости карбонатной системы. Основными равновесие СО_>2, растворенного в воде с СО