Водородный показатель рН

Содержание ионов водорода (вернее, гидроксония) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов.

CO₂ + H₂0 <---> H⁺ + HCO₃^- <---> 2 H⁺ + CO₃^2-

Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:
pH = - lg[H⁺].
Для поверхностных вод, содержащих небольшие количества диоксида углерода, характерна щелочная реакция. Изменения pH тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления CO₂ водной растительностью). Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в почвах. Гидролиз солей тяжелых металлов играет роль в тех случаях, когда в воду попадают значительные количества сульфатов железа, алюминия, меди и других металлов:

Fe²⁺ + 2H₂O --> Fe(OH)₂ + 2H⁺

Значение pH в речных водах обычно варьирует в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина pH для большинства речных вод составляет 6.8-7.4, летом 7.4-8.2. pH природных вод определяется в некоторой степени геологией водосборного бассейна [31]. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6.5-8.5[17].

pH воды - один из важнейших показателей качества вод. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.

В водоеме можно выделить несколько этапов процесса их закисления:

1. на первом этапе рН практически не меняется (ионы бикарбоната успевают полностью нейтрализовать ионы Н⁺). Так продолжается до тех пор, пока общая щелочность в водоеме не упадет примерно в 10 раз до величины менее 0.1 моль/дм³.

2. на второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5.5 в течение всего года. О таких водоемах говорят как об умеренно кислых. На этом этапе закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов.

3. на третьем этапе закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН<5 (обычно рН=4.5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществ и соединений алюминия в водоемах и почвенном слое.

Природные воды в зависимости от рН рационально делить на семь групп: [24]

сильнокислые воды	рН < 3	результат гидролиза солей тяжелых металлов (шахтные и рудничные воды)
кислые воды	рН = 3...5	поступление в воду угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот в результате разложения органических веществ
слабокислые воды	рН = 5...6.5	присутствие гумусовых кислот в почве и болотных водах (воды лесной зоны)
нейтральные воды	рН = 6.5...7.5	наличие в водах Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
слабощелочные воды	рН = 7.5...8.5	то же
щелочные воды	рН = 8.5...9.5	присутствие Na2CO3 или NaHCO3
сильнощелочные воды	рН > 9.5	то же

Окислительно-восстановительный потенциал (Eh)

Мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Значения окислительно-восстановительных потенциалов выражаются в вольтах (милливольтах). Окислительно-восстановительный потенциал любой обратимой системы определяется по формуле
Eh = E₀ + (0.0581/n) lg(Ox/Red) при t = 20°С
где Eh — окислительно-восстановительный потенциал среды;
E₀ — нормальный окислительно-восстановительный потенциал, при
котором концентрации окисленной и восстановленной форм равны
между собой;
Ox — концентрация окисленной формы;
Red — концентрация восстановленной формы;
n — число электронов, принимающих участие в процессе.

В природной воде значение Eh колеблятся от — 400 до + 700 мВ, определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов и в условиях равновесия характеризует среду сразу относительно всех элементов, имеющих переменную валентность.

Изучение редокс-потенциала позволяет выявить природные среды, в которых возможно существование химических элементов с переменной валентностью в определенной форме, а также выделить условия, при которых возможна миграция металлов [31], [35].

Различают несколько основных типов геохимических обстановок в природных водах [13]:

1. oкислительную - характеризуемую значениями Еh > + (100 - 150) мВ, присутствием свобоного кислорода, а также целого рядаэлементов в высшей форме своей валентности (Fe³⁺, Mo⁶⁺, As^5-, V⁵⁺, U⁶⁺, Sr⁴⁺, Cu²⁺, Pb²⁺);

2. переходную окислительно-восстановительную - определяемую величинами Еh + (100-0) мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов;

3. восстановиельную - характеризуемую значениями Еh < 0. В подземных водах присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe²⁺, Mn²⁺, Mo⁴⁺, V⁴⁺, U⁴⁺), а также сероводород.

Еh и рН взаимосвязаны.

Дата добавления: 2013-12-13