Geochemie vody
Geochemie vody
Důležité oblasti
■     pH - Brönsteadtova koncepce kyselosti vodných roztoků
■     chování iontů v roztocích
■     kvantifikace rozpustnosti ve vodě a celkové množství rozpuštěných látek (mineralizace; TDS - Total Dissolved Solids)
Geochemie vody
Kyseliny a zásady
Brönsteadtovy kyseliny obsahují H+ a OH_
HCI <-► H+ + Cl- (kyselina) NaOH <-► Na+ + OH" (zásada) Voda je zároveň kyselinou a zásadou
H20 <-> H+ + OH-Neutrální roztok obsahuje stejné množství H+ a OH_ Rovnovážná konstanta
Kw = [H+][OH-] = 10-14při25°C
Geochemie vody
Neutrální roztok má vždy [H+] = [OH-]
Nastavením [H+] = [OH-] = x dostáváme
Kw = x2 = 10-14 a x = 10-7 mol/l H+ pH = -log aH+ ~ -log [H+] a v neutrálním roztoku při 25 °C
pH=-log[10"7] = 7 Méně obvyklá proměnná
pOH = -log a0H_ - -log [OH-]
V neutrálním roztoku pOH = pH = 7
V libovolném roztoku při 25 °C pH + pOH = 7
Geochemie vody
Kwje teplotně závislá
T (°C)                         K
0
25
60
w
10-14,94 méně disoeiovaná
1 Q-14,00
10-13,02 v[ce disoeiovaná
„nízké" pH je < 7 = kyselý roztok = vysoká konc. H+ „vysoké" pH je > 7 = zásaditý roztok = nízká konc. H+
Battery acid
0
L
Fish
reproduction affected
Vinegar \
Adult fish die
2 J_
4
J_
Normal
range of
precipitation
pH
Normal
range of
stream pH
Baking soda and sea water
Acid rain
6
_L
7
8 _L
9
_L
10
_l_
Acid
Alkaline
Neutral
11
12
Lye
13
_l_
14
J
Geochemie vody
Vodný systém C02 určuje základní pH většiny přírodních vod
X C02(aq) = všechny rozpuštěné formy karbonátových látek C02 se nachází ve vodě ve 4 formách propojených 4 reakcemi
■     Rozpuštěný C02                                                          C02(aq)
■     Kyselina uhličitá       (zanedbatelné zastoupení)        H2C03 často se používá spojení      H2C03 + C02(aq) = H2C03* nebo                                      H2C03 = C02(aq)
■     Bikarbonátový (hydrogenuhličitanový) ion                   HC03_
■     Karbonátový (uhličitanový) ion                                    C032_
V neutrálním roztoku pOH = pH = 7 V libovolném roztoku při 25 °C pH + pOH = 7
Geochemie vody
1.    C02(g) <-► C02(aq)                                                             KH Reakce rozpouštění plynu (Henryho zákon).
2.    C02(aq) + H20 <-► H+ + HC03-(aq)                                  Ka1 Změna vazeb, hydratace a disociace kyseliny (protolýza) jsou spojeny do jedné reakce. Je to kombinace
a.  C02(aq) + H20 <-► H2C03(aq)
b.  H2C03(aq) <-► HC03"(aq) + H+
Zastoupení H2C03 je jen malé, proto se často používá tohoto zkráceného zápisu a K ~ Ka1
3.     HC03-(aq) <-► H+ + C032"(aq)                                          Ka2 Disociace (protolýza) kyseliny uhličité do druhého stupně
4.    CaC03(s) <-► Ca2+(aq) + C032"(aq)                                  Ksp Reakce rozpouštění nebo srážení. K je označována indexem "sp„ (solubility product)
Geochemie vody
Rovnováhy karbonátů
Kombinace předchozích reakcí umožňuje vyjádřit rozpustnost kalcitu CaC03 jako funkci pH.
Za předpokladu, zeje systém otevřený výměně plynů s atmosférou a že neprobíhají další reakce, které by ovlivňovaly koncentrace Ca2+, H+ a £C02(aq)
[Ca2+] = Ksp ■ [H+p / (Ka1 ■ Ka2 ■ Kw ■ pC02)
Rozpustnost CaC03 v podobě [Ca2+(aq)] bude záviset na množství C02 v atmosféře a pH (= -log [H+]) vody.
Geochemie vody
Zastoupení jednotlivých forem karbonátových látek jako funkce pH pro IC02(aq) = 10-2 mol/l a 25 °C.
0
O)
O
r -2
-4 -
-6
maximum buffering capacity
pH=6.35           pH=10.33
1
7
PH
J___L
11
13
1st end point pH=4.32     2nd end point pH=8.35 minimum buffering capacity
Geochemie vody
Pufrovací kapacita
je schopnost roztoku odolávat přídavku kyseliny nebo zásady a udržovat téměř neměnné pH.
Je největší v situaci, kdy jsou koncentrace kyseliny a konjugovane (propojené) zásady srovnatelné.
Nejméně je roztok pufrován v situaci, kdy se koncentrace kyseliny a konjugovane zásady nejvíce liší (v roztoku je přítomna především jedna forma).
Geochemie vody
Pufrovací kapacita jednosytné kyseliny
CH3COOH <-> H+ + CH3COO- (zkráceně: H-Ac ^ H+ + Ac-)
Ka = [H+][Ac-]/[H-Ac] - log Ka = - log([H+][Ac-]/[H-Ac]) pKa - pH = - log([Ac-]/[H-Ac]) pH - pKa = log([Ac-]/[H-Ac]) pH = pKa + log([Ac-]/[H-Ac]) [Ac-]/[H-Ac] = 10PH-PKa Pro známou celkovou koncentraci kyseliny X[H-Ac*] = [Ac-] + [H-Ac]
Geochemie vody
Přídavek kyseliny o koncentraci „x" mol/l změní pH úměrně poměru
[Ac- - x] / [H-Ac + x]
Když je poměr blízký 1 tj. pH « pKa, pak je roztok nejméně citlivý k přídavku kyseliny (nebo zásady).
o.i
0.01
*§
0.001 0.0001 1E-05 1E-06
Geochemie vody
Alkalita
= kyselinová neutralizační kapacita (ANC)
■     je součtem titrovatelných bází v roztoku; je možné ji změřit neutralizací těchto bází silnou kyselinou
■     alkalita je významnou proměnou prostředí pro přírodní a odpadní vody
■     alkalita většiny přírodních vod je primárně funkcí £C02(aq) aOH-
[Alk] = [HCO3-] + 2 [CO32-] + [OH-]
■     k naměřené alkalitě mohou významně přispívat boráty, fosfáty, anióny organických kyselin, silikáty a další báze