stringtranslate.com

Щелочность

Щелочность поверхности моря (из климатологии GLODAP ).

Щелочность (от арабского : القلوية , романизировано :  al-qaly , букв.  «пепел солянки » ) [1] — это способность воды противостоять подкислению . [2] Ее не следует путать с основностью , которая является абсолютным измерением по шкале pH . Щелочность — это сила буферного раствора, состоящего из слабых кислот и их сопряженных оснований . Она измеряется путем титрования раствора кислотой , такой как HCl, до тех пор, пока его pH резко не изменится, или пока он не достигнет известной конечной точки, где это происходит. Щелочность выражается в единицах концентрации, таких как мэкв/л ( миллиэквиваленты на литр ), мкэкв/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 .

В пресной воде , особенно на неизвестняковых территориях , щелочность низкая и включает много ионов. В океане, с другой стороны, щелочность полностью определяется карбонатом и бикарбонатом плюс небольшой вклад бората . [4]

Хотя щелочность — это термин, используемый в первую очередь лимнологами [5] и океанографами [3] , он также используется гидрологами для описания временной жесткости . Более того, измерение щелочности важно для определения способности потока нейтрализовать кислотные загрязнения от осадков или сточных вод . Это один из лучших показателей чувствительности потока к кислотным воздействиям. [6] Могут быть долгосрочные изменения щелочности ручьев и рек в ответ на антропогенные нарушения, такие как кислотные дожди, вызванные выбросами SO x и NO x . [7]

История

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, что подтверждает гипотезу Йохана Георга Форххаммера , которая теперь известна как принцип постоянных пропорций. Однако было одно исключение. Диттмар обнаружил, что концентрация кальция немного выше в глубине океана, и назвал это увеличение щелочностью. [ необходима цитата ]

Также в 1884 году Сванте Аррениус представил свои докторские диссертации, в которых он отстаивал существование ионов в растворе и определял кислоты как доноры ионов гидроксония , а основания как доноры ионов гидроксида . За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году . [ необходима цитата ] См. также Сванте Аррениус#Ионная диссоциация .

Упрощенное резюме

Щелочность приблизительно относится к молярному количеству оснований в растворе, которые могут быть преобразованы в незаряженные виды сильной кислотой. Например, 1 моль HCO−
3в растворе представляет собой 1 молярный эквивалент, тогда как 1 моль CO2−
3составляет 2 молярных эквивалента, поскольку для уравновешивания заряда потребуется вдвое больше ионов H + . Общий заряд раствора всегда равен нулю. [8] Это приводит к параллельному определению щелочности, которое основано на зарядовом балансе ионов в растворе.

Некоторые ионы, включая Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl − , SO2−
4, и НЕТ−
3являются « консервативными », то есть на них не влияют изменения температуры, давления или pH. [8] Другие, такие как HCO−
3зависят от изменений pH, температуры и давления. Изолируя консервативные ионы на одной стороне этого уравнения баланса заряда, неконсервативные ионы, которые принимают или отдают протоны и, таким образом, определяют щелочность, группируются на другой стороне уравнения.

Этот объединенный баланс заряда и баланс протонов называется общей щелочностью . [9] Общая щелочность не (сильно) зависит от температуры, давления или pH и, таким образом, сама по себе является консервативным измерением, что повышает ее полезность в водных системах. Все анионы, кроме HCO−
3и СО2−
3имеют низкие концентрации в поверхностных водах Земли (ручьи, реки и озера). Таким образом, карбонатная щелочность , которая равна [ HCO−
3] + 2[ СО2−
3] также приблизительно равна общей щелочности поверхностных вод. [8]

Подробное описание

Щелочность измеряет способность раствора нейтрализовать кислоты до точки эквивалентности карбоната или бикарбоната, определяемой как pH 4,5 для многих океанографических/лимнологических исследований. [10] Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе. В большинстве поверхностных вод Земли карбонатная щелочность имеет тенденцию составлять большую часть общей щелочности из-за общего появления и растворения карбонатных пород и других геологических процессов выветривания , которые производят карбонатные анионы. Другие распространенные природные компоненты, которые могут способствовать щелочности, включают борат , гидроксид , фосфат , силикат , растворенный аммиак и сопряженные основания органических кислот (например, ацетат ). Растворы, полученные в лаборатории, могут содержать практически неограниченное количество видов, которые способствуют щелочности. Щелочность часто указывается в виде молярных эквивалентов на литр раствора или на килограмм растворителя. В коммерческих (например, в индустрии бассейнов) и нормативных контекстах щелочность может также быть указана в частях на миллион эквивалентного карбоната кальция (ppm CaCO 3 ) [ требуется ссылка ] . Щелочность иногда неправильно используется как взаимозаменяемая с основностью . Например, добавление CO 2 снижает pH раствора, тем самым уменьшая основность, в то время как щелочность остается неизменной (см. пример ниже).

Для различных методов измерения щелочности указаны различные титранты , конечные точки и индикаторы . Соляная и серная кислоты являются распространенными кислотными титрантами, в то время как фенолфталеин , метиловый красный и бромкрезоловый зеленый являются распространенными индикаторами. [11]

Теоретическое рассмотрение

В типичных грунтовых или морских водах измеренная общая щелочность принимается равной:

А Т = [ НСО−
3] Т + 2[ СО2−
3] Т + [ В(ОН)−
4] Т + [ОН − ] Т + 2[ ПО3−
4] Т + [ НРО2−
4] Т + [ SiO(ОН)−
3] T − [H + ] sws − [ HSO−
4]

(Нижний индекс T указывает на общую концентрацию вида в растворе, которая измеряется. Это противоположно свободной концентрации, которая учитывает значительное количество взаимодействий ионных пар , которые происходят в морской воде.)

Щелочность можно измерить путем титрования образца сильной кислотой до тех пор, пока не будет израсходована вся буферная емкость вышеупомянутых ионов выше pH бикарбоната или карбоната. Эта точка функционально установлена ​​на pH 4,5. В этой точке все основания, представляющие интерес, протонированы до нулевого уровня видов, следовательно, они больше не вызывают щелочность. В карбонатной системе ионы бикарбоната [ HCO−
3] и карбонатные ионы [ CO2−
3] превратились в угольную кислоту [H 2 CO 3 ] при этом pH. Этот pH также называется точкой эквивалентности CO 2 , где основным компонентом в воде является растворенный CO 2 , который преобразуется в H 2 CO 3 в водном растворе. В этой точке нет сильных кислот или оснований. Поэтому щелочность моделируется и количественно определяется относительно точки эквивалентности CO 2 . Поскольку щелочность измеряется относительно точки эквивалентности CO 2 , растворение CO 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 к природным водам в точке эквивалентности CO 2 . Растворенное основание в воде увеличивает pH и титрует эквивалентное количество CO 2 до бикарбонат-иона и карбонат-иона. В состоянии равновесия вода содержит определенное количество щелочности, обусловленное концентрацией слабых анионов кислот. Наоборот, добавление кислоты преобразует слабые анионы кислот в CO 2 , а постоянное добавление сильных кислот может привести к тому, что щелочность станет меньше нуля. [12] Например, при добавлении кислоты к типичному раствору морской воды происходят следующие реакции:

В(ОН)−
4+ Н + → В( ОН ) 3 + Н2О
ОН − + Н + → Н 2 О
ПО3−
4+ 2 Н + → Н
2ПО−
4
ХПО2−
4+ Н + → Н
2ПО−
4
[ SiO(ОН)−
3] + Н + → [Si(ОН) 4 ]

Из приведенных выше реакций протонирования видно, что большинство оснований потребляют один протон (H + ), чтобы стать нейтральными, тем самым увеличивая щелочность на один эквивалент. CO2−
3Однако, прежде чем стать видом нулевого уровня (CO2), он потребляет два протона , поэтому он увеличивает щелочность на два на моль CO2−
3. [H + ] и [ HSO−
4] уменьшают щелочность, поскольку действуют как источники протонов. Их часто представляют в совокупности как [H + ] T .

Щелочность обычно указывается в мг/л в виде CaCO 3 . (Союз «as» в данном случае уместен, поскольку щелочность является результатом смеси ионов, но указывается «как будто» все это обусловлено CaCO 3 .) Это можно преобразовать в миллиэквиваленты на литр (мэкв/л), разделив на 50 (приблизительная молекулярная масса CaCO 3 , деленная на 2).

Взаимодействие с углекислым газом

Добавление CO2

Добавление (или удаление) CO 2 к раствору не изменяет его щелочность, поскольку в результате реакции образуется одинаковое количество эквивалентов положительно способствующих видов (H + ), как и отрицательно способствующих видов ( HCO−
3и/или СО2−
3). Добавление CO2 в раствор снижает его pH, но не влияет на щелочность.

При всех значениях pH:

CO2 + H2O ⇌ HCO​−
3+ Н +

Только при высоких (основных) значениях pH:

ХСО−
3+ Н + ⇌ СО2−
3+ 2 Н +

Растворение карбонатной породы

Добавление CO 2 к раствору, контактирующему с твердым телом, может (со временем) повлиять на щелочность, особенно для карбонатных минералов, контактирующих с грунтовыми водами или морской водой. Растворение (или осаждение) карбонатной породы оказывает сильное влияние на щелочность. Это происходит потому, что карбонатная порода состоит из CaCO 3 , и ее диссоциация добавит Ca 2+ и CO2−
3в раствор. Ca 2+ не повлияет на щелочность, но CO2−
3увеличит щелочность на 2 единицы. Увеличенное растворение карбонатной породы из-за подкисления кислотными дождями и горнодобывающей промышленностью способствовало повышению концентрации щелочности в некоторых крупных реках на востоке США [7] Следующая реакция показывает, как кислотные дожди, содержащие серную кислоту, могут оказывать эффект повышения щелочности реки за счет увеличения количества ионов бикарбоната:

2 CaCO 3 + H 2 SO 4 → 2 Ca 2+ + 2 HCO−
3+ ТАК2−
4

Другой способ записи этого слова:

CaCO3 + H + ⇌ Ca2 + + 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 +, оставшегося после реакции. Это так, поскольку количество кислоты в дождевой воде низкое. Если эта щелочная грунтовая вода позже вступает в контакт с атмосферой, она может потерять CO 2 , осадить карбонат и, таким образом, снова стать менее щелочной. Когда карбонатные минералы, вода и атмосфера находятся в равновесии, обратимая реакция

СаСО 3 + 2 Н + ⇌ Са 2+ + СО 2 + Н 2 О

показывает, что pH будет связан с концентрацией ионов кальция, причем более низкий pH будет соответствовать более высокой концентрации ионов кальция. В этом случае, чем выше pH, тем больше будет ионов бикарбоната и карбоната, в отличие от парадоксальной ситуации, описанной выше, где нет равновесия с атмосферой.

Изменения щелочности океана

В океане щелочность полностью определяется карбонатом и бикарбонатом, а также небольшим вкладом бората . [4]

Таким образом, химическое уравнение щелочности морской воды выглядит следующим образом:

А Т = [HCO 3 - ] + 2[CO 3 2- ] + [B(OH) 4 - ]

Существует много методов образования щелочности в океане . Возможно, наиболее известным является растворение карбоната кальция с образованием Ca 2+ и CO2−
3(карбонат). Карбонатный ион имеет потенциал поглощать два иона водорода. Таким образом, он вызывает чистое увеличение щелочности океана. Растворение карбоната кальция происходит в регионах океана, которые недонасыщены по отношению к карбонату кальция.

Повышение уровня углекислого газа в атмосфере из-за выбросов углекислого газа приводит к увеличению поглощения CO2 из атмосферы в океаны. [13] Это не влияет на щелочность океана [14] : 2252  , но приводит к снижению значения pH (так называемое закисление океана ). [15] Повышение щелочности океана было предложено в качестве одного из вариантов повышения щелочности океана и, следовательно, защиты от изменений pH. [16] : 181 

Биологические процессы оказывают гораздо большее влияние на щелочность океана в короткие (от нескольких минут до нескольких столетий) временные масштабы. [17] Денитрификация и сульфатредукция происходят в средах с ограниченным содержанием кислорода. Оба эти процесса потребляют ионы водорода (тем самым увеличивая щелочность) и выделяют газы (N 2 или H 2 S), которые в конечном итоге уходят в атмосферу. Нитрификация и окисление сульфидов снижают щелочность, выделяя протоны в качестве побочного продукта реакций окисления. [18]

Глобальная временная и пространственная изменчивость

Щелочность океана меняется с течением времени, наиболее существенно в геологических масштабах времени (тысячелетия). Изменения в балансе между земным выветриванием и седиментацией карбонатных минералов (например, как функция закисления океана) являются основными долгосрочными факторами щелочности в океане. [19] В масштабах времени человека средняя щелочность океана относительно стабильна. [20] Сезонная и годовая изменчивость средней щелочности океана очень низкая. [21]

Щелочность варьируется в зависимости от местоположения в зависимости от испарения/осадков, адвекции воды, биологических процессов и геохимических процессов. [4]

Речное смешивание также происходит вблизи берега; оно сильнее всего вблизи устья большой реки. Здесь реки могут выступать как источником, так и стоком щелочности. A T следует за стоком реки и имеет линейную зависимость от солености. [21]

Щелочность океана также следует общим тенденциям, основанным на широте и глубине. Было показано, что A T часто обратно пропорциональна температуре поверхности моря (SST). Поэтому она обычно увеличивается с высокими широтами и глубинами. В результате области апвеллинга (где вода из глубин океана выталкивается на поверхность) также имеют более высокие значения щелочности. [22]

Существует множество программ для измерения, записи и изучения океанической щелочности, а также многих других характеристик морской воды, таких как температура и соленость. К ним относятся: GEOSECS (Geochemical Ocean Sections Study), [23] TTO/NAS (Transient Tracers in the Ocean/North Atlantic Study), JGOFS (Joint Global Ocean Flux Study), [24] WOCE (World Ocean Circulation Experiment), [25] CARINA (Carbon Carbon oxide in the Atlantic Ocean). [26]

Меры по повышению щелочности

Некоторые методы удаления углерода добавляют щелочность в океан и, следовательно, немедленно буферизуют изменения pH, которые могут помочь организмам в регионе, к которому добавляется дополнительная щелочность. Две технологии, которые попадают в эту категорию, - это повышение щелочности океана и электрохимические методы. [27] В конечном итоге, из-за диффузии, это добавление щелочности будет довольно небольшим для отдаленных вод. Вот почему используется термин локальное смягчение закисления океана . Обе эти технологии имеют потенциал для работы в больших масштабах и для эффективного удаления углекислого газа. [27] : Таблица 9.1  Однако они дороги, имеют много рисков и побочных эффектов и в настоящее время имеют низкий уровень технологической готовности . [28] : 12–36 

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "щелочь". Dictionary.com Unabridged (Online). nd . Получено 2018-09-30 .
  2. ^ «Что такое щелочность?». Центр водных исследований. 2014. Получено 5 февраля 2018 .
  3. ^ ab Dickson, Andrew G. (1992). «Развитие концепции щелочности в морской химии». Marine Chemistry . 40 (1–2): 49–63. Bibcode : 1992MarCh..40...49D. doi : 10.1016/0304-4203(92)90047-E.
  4. ^ abc Честер, Р.; Джикеллс, Тим (2012). "Глава 9: Питательные вещества кислород органический углерод и цикл углерода в морской воде". Морская геохимия (3-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley/Blackwell. ISBN 978-1-118-34909-0. OCLC  781078031.
  5. ^ Мэттсон, MD (2014-01-01), «Щелочность пресной воды☆», Справочный модуль по системам Земли и наукам об окружающей среде , Elsevier, doi :10.1016/b978-0-12-409548-9.09397-0, ISBN 978-0-12-409548-9, получено 2023-01-09
  6. ^ "Общая щелочность". Агентство по охране окружающей среды США . Получено 6 марта 2013 г.
  7. ^ ab Каушал, СС; Лайкенс, GE; Утц, RM; Пейс, ML; Грезе, М.; Йепсен, М. (2013). «Повышенное ощелачивание рек на востоке США». Environmental Science & Technology . 47 (18): 10302–10311. doi :10.1021/es401046s. PMID  23883395.
  8. ^ abc Drever, James I. (1988). Геохимия природных вод, второе издание . Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. ISBN 0-13-351396-3.
  9. ^ Вольф-Гладров, Дитер А.; Зеебе, Ричард Э.; Клаас, Кристин; Кёрцингер, 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. Bibcode : 2007MarCh.106..287W. doi : 10.1016/j.marchem.2007.01.006.
  10. ^ Диксон, АГ (июнь 1981 г.). «Точное определение общей щелочности и процедура оценки щелочности и общего неорганического углерода по данным титрования». Deep Sea Research Часть A. Oceanographic Research Papers . 28 (6): 609–623. Bibcode : 1981DSRA...28..609D. doi : 10.1016/0198-0149(81)90121-7.
  11. ^ 2320 щелочность, Стандартные методы исследования воды и сточных вод, Американская ассоциация общественного здравоохранения, 2017-08-27, doi :10.2105/smww.2882.023 (неактивен 1 ноября 2024 г.), ISBN 9780875532998, получено 2022-12-01{{citation}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  12. ^ Бенджамин. Марк М. 2015. Химия воды . 2-е изд. Лонг-Гроув, Иллинойс: Waveland Press, Inc.
  13. ^ Дони, Скотт К.; Буш, Д. Шаллин; Кули, Сара Р.; Кроекер, Кристи Дж. (17.10.2020). «Влияние закисления океана на морские экосистемы и зависящие от них человеческие сообщества». Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 45 (1): 83–112. doi : 10.1146/annurev-environ-012320-083019 . S2CID  225741986. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  14. ^ МГЭИК, 2021: Приложение VII: Глоссарий. Архивировано 5 июня 2022 года в Wayback Machine [Мэтьюз, ДжБР, В. Мёллер, Р. ван Димен, Дж. С. Фуглестведт, В. Массон-Дельмотт, К. Мендес, С. Семенов, А. Райзингер (ред.)]. Изменение климата в 2021 году: физические научные основы. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Архивировано 9 августа 2021 г. на Wayback Machine [Массон-Дельмотт, В., П. Чжай, А. Пирани, С. Л. Коннорс, К. Пеан, С. Бергер, Н. Код, Й. Чен, Л. Гольдфарб, М. И. Гомис, М. Хуан, К. Лейтцелл, Э. Лонной, Дж. Б. Р. Мэтьюз, ТК Мейкок, Т. Уотерфилд, О. Йелекчи, Р. Ю и Б. Чжоу (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США
  15. ^ Дони, Скотт К.; Буш, Д. Шаллин; Кули, Сара Р.; Кроекер, Кристи Дж. (17.10.2020). «Влияние закисления океана на морские экосистемы и зависящие от них человеческие сообщества». Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 45 (1): 83–112. doi : 10.1146/annurev-environ-012320-083019 . S2CID  225741986. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  16. ^ Стратегия исследований по удалению и секвестрации углекислого газа в океане . 2022. doi : 10.17226/26278. ISBN 978-0-309-08761-2. PMID  35533244. S2CID  245089649.
  17. ^ Эмерсон, Стивен; Хеджес, Джон (2008). Химическая океанография и морской углеродный цикл. Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-511-64987-5. OCLC  558876135.
  18. ^ Штумм, Вернер; Морган, Джеймс Дж. (1996). Водная химия: химическое равновесие и скорости в природных водах (3-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. ISBN 0-471-51184-6. OCLC  31754493.
  19. ^ Zeebe, Richard E.; Wolf-Gladrow, Dieter A. (2001). CO2 в морской воде: равновесие, кинетика, изотопы. Амстердам: Elsevier. ISBN 978-0-08-052922-6. OCLC  246683387.
  20. ^ Doney, Scott C.; Fabry, Victoria J.; Feely, Richard A.; Kleypas, Joan A. (2009-01-01). «Окисление океана: другая проблема CO 2». Annual Review of Marine Science . 1 (1): 169–192. Bibcode : 2009ARMS....1..169D. doi : 10.1146/annurev.marine.010908.163834. ISSN  1941-1405. PMID  21141034.
  21. ^ ab Thomas, H.; Schiettecatte, L.-S.; et al. Улучшенное хранение углерода в океане за счет анаэробной генерации щелочности в прибрежных отложениях. Biogeosciences Discussions. 2008, 5, 3575–3591
  22. ^ Миллеро, Ф.Дж.; Ли, К.; Рош, М. Распределение щелочности в поверхностных водах основных океанов. Морская химия. 1998, 60, 111-130.
  23. ^ "dataset: GEOSECS". iridl.ldeo.columbia.edu . Получено 28.03.2023 .
  24. ^ "Главная : Океанографический институт Вудс-Хоул". 2012-03-14. Архивировано из оригинала 2012-03-14 . Получено 2023-03-28 .
  25. ^ "WOCE Global Data Resource". 2011-10-16. Архивировано из оригинала 2011-10-16 . Получено 2023-03-28 .
  26. ^ "CARINA". www.pmel.noaa.gov . Получено 28.03.2023 .
  27. ^ ab Стратегия исследований по удалению и секвестрации углекислого газа в океане . 2022. doi : 10.17226/26278. ISBN 978-0-309-08761-2. PMID  35533244. S2CID  245089649.
  28. ^ IPCC (2022) Глава 12: Межсекторальные перспективы Архивировано 13 октября 2022 г. в Wayback Machine в Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Вклад Рабочей группы III в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата Архивировано 2 августа 2022 г. в Wayback Machine , Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США

Внешние ссылки

Калькуляторы карбонатной системы

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