Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать со щелочью или щелочью (химия) .
Щелочность морской поверхности (по климатологии GLODAP ).

Щелочность (от арабского « аль-кали » [1] ) - это способность воды противостоять подкислению. [2] Не следует путать с основностью, которая представляет собой абсолютное измерение по шкале pH.

Щелочность - это сила буферного раствора, состоящего из слабых кислот и их сопряженных оснований . Она измеряется титрование в раствор с кислотой , такими как HCl , пока его рН резко не изменится, или он достигает известную конечную точку , где что происходит. Щелочность выражается в единицах концентрации, таких как мэкв / л ( миллиэквиваленты на литр ), мкэквиваленты / кг (микроэквиваленты на килограмм) или мг / л CaCO 3 (миллиграммы на литр карбоната кальция). [3] Каждое из этих измерений соответствует количеству кислоты, добавленной в качестве титранта .

Хотя «щелочность» - это в первую очередь термин, используемый океанографами [3], он также используется гидрологами для описания временной жесткости . Более того, измерение щелочности важно для определения способности потока нейтрализовать кислотное загрязнение от дождя или сточных вод . Это один из лучших показателей чувствительности потока к поступлению кислоты. [4] Щелочность ручьев и рек может изменяться в долгосрочной перспективе в ответ на антропогенные воздействия, такие как кислотные дожди, вызванные выбросами SO x и NO x . [5]

История [ править ]

В 1884 году профессор Вильгельм (Уильям) Диттмар из колледжа Андерсона, ныне Университет Стратклайда , проанализировал 77 образцов нетронутой морской воды со всего мира, привезенных экспедицией Челленджера . Он обнаружил, что в морской воде основные ионы находятся в фиксированном соотношении, подтверждая гипотезу Йохана Георга Форххаммера , 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.

Также в 1884 году Сванте Аррениус представил докторскую диссертацию, в которой он защищал существование ионов в растворе и определил кислоты как доноры ионов гидроксония и основания как доноры ионов гидроксида . За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году. См. Svante_Arrhenius # Ionic_disassociation .

Упрощенное резюме [ править ]

Щелочность примерно относится к молярному количеству оснований в растворе, которое может быть преобразовано в незаряженные частицы сильной кислотой. Например, 1 моль HCO 3 1- в растворе представляет 1 молярный эквивалент, а 1 моль CO 3 2- - 2 молярных эквивалента, потому что для балансировки заряда потребуется вдвое больше ионов H + . Суммарный заряд раствора всегда равен нулю. [6] Это приводит к параллельному определению щелочности, основанному на балансе заряда ионов в растворе.

Некоторые ионы, включая Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , SO 4 2- и NO 3 -, являются « консервативными », так что на них не влияют изменения температуры, давления или pH. [6] Другие , такие как HCO 3 - страдают от изменений рН, температуры и давления. Выделяя консервативные ионы на одной стороне этого уравнения баланса зарядов, неконсервативные ионы, которые принимают / отдают протоны и, таким образом, определяют щелочность, группируются на другой стороне уравнения.

Этот комбинированный баланс заряда и баланса протонов называется общей щелочностью . [7] Общая щелочность не (сильно) зависит от температуры, давления или pH, и, таким образом, сама по себе является консервативным измерением, что увеличивает его полезность в водных системах. Все анионы, кроме HCO 3 - и CO 3 2-, имеют низкие концентрации в поверхностных водах Земли, то есть в ручьях, реках и озерах. Таким образом, карбонатная щелочность , которая равна, также приблизительно равна общей щелочности поверхностных вод. [6]

Подробное описание [ править ]

Щелочность или A T измеряет способность раствора нейтрализовать кислоты до точки эквивалентности карбоната или бикарбоната, определяемой как pH 4,5 для океанографических / лимнологических исследований. [8] Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе. В естественной среде карбонатная щелочность имеет тенденцию составлять большую часть общей щелочности из-за обычного появления и растворения карбонатных пород и присутствия диоксида углерода в атмосфере. Другие распространенные 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 миллиэквивалентах на литр. В коммерческих целях, как и в производстве бассейнов, щелочность также может быть указана в частях на миллион эквивалентного 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 2 SO 4 вместе с фенолфталеиновым индикатором pH .

Теоретическое лечение [ править ]

В обычных грунтовых или морских водах измеренная щелочность устанавливается равной:

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

(Нижний индекс T указывает на измеренную общую концентрацию компонентов в растворе. Это противоположно свободной концентрации, которая учитывает значительное количество взаимодействий ионных пар , происходящих в морской воде.)

Щелочность можно измерить путем титрования образца 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 2- ] превратились в угольную кислоту [H 2 CO 3 ] при этом pH. Этот pH также называется точкой эквивалентности CO 2, где основным компонентом воды является растворенный CO 2, который превращается в H 2 CO 3.в водном растворе. На данный момент нет сильных кислот или оснований. Следовательно, щелочность моделируется и количественно оценивается относительно точки эквивалентности CO 2 . Поскольку щелочность измеряется относительно точки эквивалентности СО 2 , растворение СО 2 , хотя и 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. И наоборот, добавление кислоты превращает слабые кислотные анионы в CO 2, а постоянное добавление сильных кислот может привести к тому, что щелочность станет меньше нуля. [9] Например, при добавлении кислоты в обычный раствор морской воды протекают следующие реакции:

В (ОН) 4 - + Н + → В (ОН) 3 + Н 2 О
ОН - + Н + → Н 2 О
PO 4 −3 + 2H + → H 2 PO 4 -
HPO 4 -2 + H + → H 2 PO 4 -
[SiO (OH) 3 - ] + H + → [Si (OH) 4 0 ]

Из приведенных выше реакций протонирования видно, что большинство оснований потребляют один протон (H + ), чтобы стать нейтральным веществом, тем самым увеличивая щелочность на один на эквивалент. Однако CO 3 -2 потребляет два протона, прежде чем превратиться в частицы с нулевым уровнем (CO 2 ), таким образом, он увеличивает щелочность на два на моль CO 3 -2 . [H + ] и [HSO 4 - ] уменьшают щелочность, поскольку действуют как источники протонов. Они часто представлены 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 (приближенной МВт СаСО 3 /2).

Примеры проблем [ править ]

Сумма видов [ править ]

Следующие уравнения демонстрируют относительный вклад каждого компонента в щелочность типичного образца морской воды. Вклады даны в мкмоль . кг − soln −1 и взяты из Справочника по методам анализа параметров углекислого газа в морской воде " [1] ," (соленость = 35 г / кг, pH = 8,1, температура = 25 ° C).

A T = [HCO 3 - ] T + 2 [CO 3 2− ] T + [B (OH) 4 - ] T + [OH - ] T + 2 [PO 4 3− ] T + [HPO 4 2− ] 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. Так,

А Т= [HCO 3 - ] T + 2 [CO 3 2− ] T + [B (OH) 4 - ] T + [OH - ] T - [H + ]
= 1830 + 2 × 270 + 100 + 10 - 0,01
= 2480 μ моль . кг − соль −1

Добавление CO 2 [ править ]

Добавление (или удаление) CO 2 к раствору не изменяет его щелочность, так как результирующая реакция дает такое же количество эквивалентов веществ, которые вносят положительный вклад (H + ), что и частицы, вносящие отрицательный вклад (HCO 3 - и / или CO 3 2−). ). Добавление CO 2 в раствор снижает его pH, но не влияет на щелочность.

При всех значениях pH:

CO 2 + H 2 O ⇌ HCO 3 - + H +

Только при высоких (основных) значениях pH:

HCO 3 - + H + ⇌ CO 3 2- + 2H +

Растворение карбонатной породы [ править ]

Добавление CO 2 к раствору, находящемуся в контакте с твердым веществом, может (со временем) повлиять на щелочность, особенно для карбонатных минералов, контактирующих с грунтовыми водами или морской водой. Растворение (или осаждение) карбонатной породы сильно влияет на щелочность. Это связано с тем, что карбонатная порода состоит из CaCO 3, и в результате его диссоциации в раствор добавляются Ca +2 и CO 3 -2 . Ca +2 не повлияет на щелочность, но CO 3 -2 увеличит щелочность на 2 единицы. Повышенное растворение карбонатных пород в результате подкисления в результате кислотных дождей и добычи полезных ископаемых способствовало повышению концентрации щелочности в некоторых крупных реках на востоке США [5] Следующая реакция показывает, как кислотный дождь, содержащий серную кислоту, может увеличивать щелочность реки за счет увеличения количества бикарбонат-иона:

2CaCO 3 + H 2 SO 4 → 2Ca +2 + 2HCO 3 - + SO 4 -2

Другой способ записать это:

CaCO 3 + H + ⇌ Ca +2 + 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 +, остающееся после реакции. Это так, потому что 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 +2 + CO 2 + H 2 O

показывает, что pH будет связан 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.

Щелочность океана [ править ]

Процессы, повышающие щелочность [ править ]

Есть много методов создания щелочности в океане. Возможно, наиболее известным из них является растворение CaCO 3 (карбонат кальция, который является компонентом коралловых рифов) с образованием Ca 2+ и CO 3 2– (карбонат). Карбонат-ион может поглотить 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. [10] Снижение pH из-за абсорбции CO 2 фактически увеличивает щелочность, вызывая растворение карбонатов.

Процессы анаэробного разложения, такие как денитрификация и сульфатредукция, 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. [10]

Процессы, снижающие щелочность [ править ]

Анаэробные процессы обычно повышают щелочность. И наоборот, аэробное разложение может снизить АТ . Этот процесс происходит в тех частях океана, где присутствует кислород (поверхностные воды). Это приводит к растворению органических веществ и образованию ионов водорода. [10] Увеличение содержания 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. [11]

Все эти вышеупомянутые методы являются химическими процессами. Однако физические процессы могут также служить , чтобы влиять на Т . Растущее беспокойство вызывает таяние полярных ледяных шапок, которое может способствовать снижению щелочности океана. Если бы лед растаял, общий объем океана увеличился бы. Поскольку щелочность значение концентрации (моль / л), увеличение объема теоретически служит для уменьшения A T . Однако реальный эффект был бы намного сложнее этого. [12]

Глобальная временная изменчивость [ править ]

Исследователи показали, что щелочность океана меняется со временем. 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 щелочность океана относительно стабильна, поэтому значительные изменения могут происходить только в течение длительного времени (например, от сотен до тысяч лет). [13] В результате сезонная и годовая изменчивость, как правило, очень низкая. [10]

Пространственная изменчивость [ править ]

Исследователи также показали, что щелочность варьируется в зависимости от местоположения. На местный АТ могут влиять два основных паттерна смешивания: течение и река. Перемешивание с преобладанием течений происходит недалеко от берега в районах с сильным течением воды. В этих областях тренды щелочности следуют текущим и имеют сегментированную взаимосвязь с соленостью. [14]

Перемешивание с преобладанием рек 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 смешивание течений может стать доминирующим процессом. [10]

Щелочность океанов также следует общим тенденциям в зависимости от широты и глубины. Было показано, что A T часто обратно пропорционален 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. [15]

Наборы данных измерений [ править ]

На протяжении недавней истории было много попыток измерить, зарегистрировать и изучить щелочность океана. Некоторые из более крупных наборов данных перечислены ниже.

  • GEOSECS (Исследование геохимических разрезов океана)
  • TTO / NAS (Transient Tracers in the Ocean / North Atlantic Study)
  • JGOFS (Совместное исследование глобального потока в океане)
  • WOCE (Эксперимент по циркуляции Мирового океана)
  • КАРИНА (углекислый газ в Атлантическом океане)

См. Также [ править ]

  • Щелочные почвы
  • База (химия)
  • Биологический насос
  • Обезщелачивание воды
  • Проект анализа глобальных океанических данных
  • Закисление океана

Ссылки [ править ]

  1. ^ "определение щелочи" . www.dictionary.com . Проверено 30 сентября 2018 .
  2. ^ "Что такое щелочность?" . Центр водных исследований. 2014 . Проверено 5 февраля 2018 .
  3. ^ a b Диксон, Эндрю Г. (1992). «Развитие концепции щелочности в морской химии». Морская химия, 40, 1 : 49–63. DOI : 10.1016 / 0304-4203 (92) 90047-E .
  4. ^ «Общая щелочность» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 6 марта 2013 года .
  5. ^ а б Каушал, СС; Likens, GE; Утц, РМ; Темп, мл; Grese, M .; Епсен, М. (2013). «Повышенное ощелачивание рек в восточной части США». Environmental Science & Technology : 130724203606002. дои : 10.1021 / es401046s .
  6. ^ a b c Древер, Джеймс I. (1988). Геохимия природных вод, второе издание . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 0-13-351396-3.
  7. ^ Вольф-Гладроу, Дитер А .; Зибе, Ричард Э .; Клаас, Кристина; Кёртцингер, Арне; Диксон, Эндрю Г. (июль 2007 г.). «Общая щелочность: явное консервативное выражение и его применение к биогеохимическим процессам» . Морская химия . 106 (1–2): 287–300. DOI : 10.1016 / j.marchem.2007.01.006 .
  8. Перейти ↑ Dickson, AG (июнь 1981 г.). «Точное определение общей щелочности и процедура оценки щелочности и общего неорганического углерода по данным титрования» . Глубоководные исследования. Часть A. Океанографические исследования . 28 (6): 609–623. DOI : 10.1016 / 0198-0149 (81) 90121-7 .
  9. ↑ Бенджамин. Марк М. 2015. Химия воды . 2-е изд. Лонг-Гроув, Иллинойс: Waveland Press, Inc.
  10. ^ a b c d e Thomas, H .; Schiettecatte, L.-S .; и другие. Повышенное хранение углерода в океане от образования анаэробной щелочности в прибрежных отложениях. Обсуждения биогеонаук. 2008, 5, 3575-3591
  11. ↑ Kim, H.-C., and K. Lee (2009), Значительный вклад растворенного органического вещества в щелочность морской воды, Geophys. Res. Lett, 36, L20603, DOI : 10,1029 / 2009GL040271
  12. ^ Chen, B .; Цай, В. Использование щелочности для разделения источников таяния льда и рек в западной части Северного Ледовитого океана. Материалы совещания AGU по наукам об океане 2010 г., 2010 г., стр. 22–26.
  13. ^ Дони, Южная Каролина; Фабри, VJ; и другие. Подкисление океана: другая проблема CO2. Анну. Rev. Mar. Sci., 2009, 69–92. DOI : 10.1146 / annurev.marine.010908.163834
  14. ^ Cai, W.-J .; Hu, X. et al. Распределение щелочности в западной окраине северной части Атлантического океана. Журнал геофизических исследований. 2010, 115, 1-15. DOI : 10,1029 / 2009JC005482
  15. ^ Millero, FJ; Лук-порей.; Рош, М. Распределение щелочности в поверхностных водах основных океанов. Морская химия. 1998, 60, 111-130.

Внешние ссылки [ править ]

  • Холмс-Фарли, Рэнди. « Химия и аквариум: что такое щелочность? » , Интернет-журнал Advanced Aquarist . Щелочность в аквариумах с соленой водой.
  • DOE (1994) » [2] ,« Справочник по методам анализа различных параметров системы углекислого газа в морской воде. Версия 2 , AG Dickson & C. Goyet, ред. ORNL / CDIAC-74.
  • Набор данных GEOSECS [3]
  • Набор данных JGOFS [4]
  • Набор данных WOCE [5]
  • Набор данных CARINA [6]

Калькуляторы карбонатной системы [ править ]

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

  • CO2SYS , доступный как автономный исполняемый файл , электронная таблица Excel или скрипт MATLAB .
  • seacarb , пакет R для Windows , Mac OS X и Linux (также доступен здесь )
  • CSYS , сценарий Matlab