水体二氧化碳平衡系统及PH

1、第一节第一节二氧化碳平衡系统二氧化碳平衡系统CO2H2CO3，HCO3-， 的形式存在。n无机碳化合物的不同形式之间以及它们与气相中的CO2CO2H2O HCO3H HCO3 CO32-+H+ 3 CaCO3的溶解、沉积平衡的溶解、沉积平衡 Ca2+CO32- CaCO3（s） Ca2+ 2HCO3 CaCO3（s） CO2+H2O CO32- ，HC03-的水解平衡属于离子反应，速度较快。n温度升高，压力减少，光合作用剧烈的水体，有利于CaCO3沉淀的生成，反之，有利于CaCO3的溶解。二氧化碳的电离平衡 (一)混合平衡常数 二氧化碳溶于水后，大部分CO2以溶解状态存在，少部分CO2与H20

2、结合成碳酸并电离： 溶解态CO2与未电离的H2CO3合称为游离二氧化碳，简称碳酸，记为H2CO*。用化学式外加方括号 表示物质的量浓度。水中二氧化碳平衡合并表述为： 这里的电离平衡常数是混合常数，混合常数是条件常数，数值随盐度而变， 碳酸二级电离平衡的混合平衡常数Ka2.值，其表达式为： 一、天然水中常见的弱碱、弱酸 (一)酸碱的质子理论 酸碱质子理论认为，能给出质子的物质是酸，能结合质子的物质是碱。 反应： 右边的除H+外都能结合质子如HCO3-、CO32-、NH3等都是碱，其中HCO3-是两性物质。 酸、碱概念是相对而言的。要看在什么环境(介质)中，我们在水环境化学中，是以水为介质，H3O

3、+为酸，OH为碱，H2O为两性物质。 二)天然水中常见的酸碱物质 天然水中常见的能解离出质子及与质子结合的物质有：CO2H20、CO32-、HCO3-、NH4+、NH3、H2PO4、PO43-、H2SiO3，HSiO3-、H3BO3、H4BO4等。这些物质在水中可形成如下酸碱平衡。 从上述平衡可以看出，HCO3-、H2P04、HP042等既是酸，又是碱。因它既可给出(电离)质子，又可结合质子。 上述这些平衡均可受水中H+浓度的影响。H+浓度增加可使上述平衡向左移，H+减少则平衡向右移。反过来说，则是水中酸碱物质的浓度比决定了水的pH。由于一般天然水中所含酸碱物质主要是碳酸盐的几种存在形态，即H

4、CO3-、CO2、CO32-。在水中存在的平衡(1)与(2)左右天然水pH的平衡，其他平衡居次要地位。 天然水几种常见酸碱的形态分布 图41 天然水几种常见酸碱的形态分布 总反应式为： 所以，Fe2+与Fe3+也是天然水中对pH有重要影响的物质。 水中Fe3+因可水解而产生酸： ( (三三)天然水的酸度天然水的酸度 酸度指水中能与强碱反应(表现为给出质子)的物质的总量，用1 L水中能与OH-结合的物质的量来表示。天然水中能与强碱反应的物质除H3O+(简记为H+)外，常见的还有H2CO3*、HCO3-、Fe3+、Fe2+、Al3+等，后3种在多数天然水中含量都很小，对构成水酸度的贡献少。某些强酸

5、性矿水、富铁地层的地下水可能含有较多的Fe3+(含氧、强酸)或Fe2+(酸性、缺氧)，在构成酸度上就不可忽略。 总酸度:包括了强酸物质与H2CO3*的含量，用酚酞作指示剂，pH 83无机酸度(又称强酸酸度):只包含水中的强酸物质，H2CO3*未参与反应,用甲基橙作指示剂，pH 3.7。 对于比较清洁的天然水，可以认为酸度就是由水中的强酸H+与游离二氧化碳构成. 二、天然水的pH及缓冲性 () 天然水的pH 天然水由于溶解了CO2、HCO3-等酸碱物质，使水具有不同的pH。依据pH，一般将天然水的酸碱性划分为如下5类： 强酸性 pH10O 大多数天然水为中性到弱碱性，pH为6.09.0。 淡水p

6、H多在6.58.5， 部分苏打型湖泊水的pH可达9.09.5。 海水pH般在8.08.4。 水中生物的光合作用和呼吸作用可引起水pH的变化。动植物生物量大的水体，表层水pH有明显的日变化。早晨天刚亮时pH较低，下午pH较高。 (池塘、湖泊的动植物生物量大) （二（二) )天然水的缓冲性天然水的缓冲性 天然水都有一定的缓冲性。因水中存在以下可以调节pH的平衡系统。 1碳酸的一级与二级电离平衡 天然水存在碳酸的一级与二级电离平衡为： 这两个平衡在水中一般都同时存在。pH8.3时，则可仅考虑第二个平衡。在pH8.3附近，两个平衡都应同时考虑。为此可采用下式表达： 2 2 CaCOCaCO3 3的溶解

7、和沉淀平衡的溶解和沉淀平衡 当水体系达到CaC03的溶度积，且水中有CaCO3(s)胶粒悬浮时，水中存在以下平衡： 这一平衡可调节水中CO32-浓度。水中Ca2+含量足够大时，可以限制CO32-含量的增加，因而也限制了pH的升高。上述(3)、(4)两个平衡可以合并用下面一 个平衡方程式表达： 3离子交换缓冲系统 水中的黏土胶粒表面一般都有带电荷的阴离子或阳离子，多数为阴离子。这些表面带负电的基团可以吸附水中的阳离子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、H+等)，建立离于交换吸附平衡： 水中其他弱酸盐如硼酸盐、硅酸盐、有机酸类的盐等，也存在相应电离平衡，也可以调节pH。比较起来，由于水中HCO3-含量比其他弱酸盐大得多，水的缓冲性主要还是靠上述(1)、(2)两个平衡系统起调节作用。海水由于离子强度很大，水中生成很多离子对，也对pH有缓冲作用。 另外水中的Mg2+也可以限制pH的上升幅度，对于海水，这种作用明显。如池塘养鱼常采用生石灰清塘。这是用提高水pH的办法来达到杀死野杂鱼和消毒的目的。对于