Моделирование миграции подземных вод
Кислотно-основные процессы
Химические реакции с передачей иона водорода (кислотно-основные) имеют исключительно важное значение для грунтовых вод и зоны аэрации.
Кислота проявляет себя как донор протонов, а основание — как их акцептор. Вследствие этого кислота и основание образуют сопряженную пару. Каждая кислота при отдаче протона переходит в соответствующее ей основание А~—В, из которого она может вновь образоваться, приняв протон ЈHf — НА Типичными примерами таких сопряженных пар служат:
Н3о чг н, о + н+, нсо>- со32~ + н+ н2о^:он- + н+, н3ро4^н2ро4- + н+,
NlV^NHs - f Н+, Н2РОг НР042- Н+,
С02 • Н20 г НСОз" + Н+, НР04г~ РО33- + Н+. (2.26)
Эти примеры показывают, что имеются вещества, выполняющие как протйннодонорную, так и протонноакцепторную функцию (например, Н20, НСОз~, Н2Р04~, НР042-). Такие вещества называются а м ф о л и т а м и.
Полная передача протона (прототрофность) требует соединения двух сопряженных пар кислота — основание:
Отдача Н+ кислотой ^ В, + Н+; (2.27)
Прием Н+ основанием Вп Вп + Н+ 5П; (2.28)
Реакция протолиза (РП) -)■- Вп Bl + Sri. (2.29)
Отсюда получаем константы равновесия (кислотные константы) обеих полуреакций и суммарной реакции:
Tf-fSnHZ?, }/!*„} \St\^KsJKsu,
\gK=igKSl~~kK$tI.
Таким образом, для сопряженной пары кислота — основание (В=*А~ ВН+ = НЛ) ({А-} {ВН+}/ {Н Л} {В} = 1) выполняется соотношение KSKB Ш30+} {ОН-} = ;Н+} ОН"} = Кц, оКв\ а при давлении 105 Па и 25 °С:—lg/Cs — lg/Cs= 14.
По отношению к воде как к растворителю ({Н20} = 1) кислотная константа Ks выступает в качестве показателя степени силы кислоты, а основная константа Кв — степени силы основания:
НА + Н20 ^ Л-+ Н30+; В + Н20^£Н+ + 0Н.-;
*5-{Н30+} {А-}/{Н А} {Н20}; Кв = {ВН+) {ОН-}({В\ {H2Oj.
Если значения Ks, Н20 и Кв, он воды как амфолита рассчитываются точно по определению, то получают пределы существования сильных кислот и оснований в воде.
Общепринята [40] классификация кислот и оснований, представленная в табл. 2 и 3.
Для наглядности изображения масштаба протолитической реакции НЛ-f Н2О^Л~+Н304 используют степень протолиза 100 а (в%):
А — [Л-]/[НЛ] + [Л-].
Последняя указывает, сколько процентов всех изначально имевшихся НА-молекул прореагировало с водой с передачей протона. Смесь из кислот средней силы и сопряженных им оснований имеет
|
Таблица 2 Классификация кислот и оснований
|
Свойство при добавке ограниченного количества сильной кислоты или основания практически не менять величину рН. Такие системы называются буфером. Мерой буферного действия служит буферная емкость р [40] :0=dc/d(pH), Э=2,3 (ГН+] + ГОН-] + + [А-] [НЛ])/(.[Л"] + [НЛ]) -2,3 [5] [B]I[S] + [В]. Из равенства {H+} = Ks{5}/{5} следует, что при добавке сильной кислоты или, соответственно, основания [40]
. ^ . [S]+cs [5] — св
РН ~ lg К s - Ig—^-f^-lgKs - lg——,
Где cs и Cs —концентрации кислоты и основания соответственно.
Тесно связаны с буферной емкостью щелочность и кислотность, определяемые как расход кислоты или основания, необходимый для достижения определенного значения рН или определенного изменения величины рН,
Буферные системы, встречающиеся в подземных условиях, представлены прежде всего слабыми кислотами и их анионной основой (С02-Н20/НС03; НСО3-/СО32-; Н2Р04-/НР0<2-) и слабыми основаниями с сопряженными им катионными кислотами (NH3/NH4+).
|
Таблица 3 Значения рКв и рКв для некоторых сопряженных пар кислота—основание
|
Главная буферная точка системы (максимальная буферная емкость) всегда находится там, где смешиваются эквимолярные количества буферных компонентов. Значение pKs буферной кислоты должно лежать возможно ближе к стабилизирующим значениям рН (буферному уровню). Используемая в практических целях буферная емкость р, пары кислота — основание, рассчитывается только в интервале рН=—lg/(s=tl.
В подземных водах образуется ряд буферных систем, которые, взаимодействуя, могут оказывать влияние друг на д|)уга - и тем самым затруднять интерпретацию гидрохимических данных.
