CC BY
11НА УЧНЫЕ СТА ТЬИ
Гидрометеорология и экология № 1 2011
УДК 546.212; 556.531
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КАРБОНАТНО-КАЛЬЦИЕВОГО РАВНОВЕСИЯ ВОДЫ РЕК СЕВЕРНОГО СКЛОНА ИЛЕ АЛАТАУ
Доктор геогр. наук С.М. Романова
Дана характеристика основных компонентов карбонатно-кальциевого равновесия в водах в рек Северного Склона Иле Алатау.
Из числа равновесий, которые устанавливаются в природных водах, важнейшим является карбонатно-кальциевое, основными компонентами которого являются: С02, Н2С03, ионы НС03-, С032-, Са2+ и Н + .
Карбонатная система в водоёмах и водотоках имеет исключительное значение для протекающих в них физико-химических, биологических и других процессов. Состоянием карбонатно-кальциевого равновесия определяются условия растворения или осаждения карбонатов, в частности, карбоната кальция. Изучение равновесия имеет большое значение для практических целей, например, для характеристики воздействия воды на строительные сооружения из бетона.
Довольно сложным является вопрос о том, как достигается равновесие между указанными компонентами. Большая часть С02 находится в воде в виде молекул растворённого газа и только около 1 % реагирует с водой, образуя угольную кислоту. При растворении солей угольной кислоты, происходящем под действием С02, в воде появляются ионы СО2 и НС03- .
От количественных соотношений между НС03-, С0^~ и С02 зависит концентрация водородных ионов. Содержание карбонатных ионов в воде лимитируется содержанием ионов Са 2+, образующих с ионами С032-труднорастворимый осадок СаС03 , растворимость которого определяется произведением активностей входящих в состав соли ионов.
Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является диоксид углерода. Изменение содержания С02 в воде вызывает сдвиг равновесия в ту или иную сторону. Таким образом, карбонатно-кальциевая система включает ряд равновесий, составляющих общее подвижное равновесие. Каждое из отдельных равновесий с количественной стороны характеризуется соответствующей
111
константой, определяющей соотношение между концентрациями компонентов при данных условиях.
Изменение в одной части общего равновесия вызывает соответствующее изменение во всей цепи. Например, увеличение в воде С02 понижает значение рН, уменьшает содержание СО2-, поэтому вода становится ненасыщенной карбонатом кальция. В присутствии избытка С02 в раствор переходят ионы НС03- и С0^- до установления нового равновесия между этими ионами, а также между СО^" и Са 2+ . Наоборот, при уменьшении концентрации С02 повышается значение рН и содержание СО2- и создаётся пересыщение воды СаС03, которое способствует выделению последнего в осадок.
Схема равновесия: С02 атм.
№
С02 вод. + Н20 ^ Н2С03 НС03- + Н + ^ 2Н + + С032-
Я
+ Са 2+
Я
СаС03 (раствор)
№
СаС03 (твердая фаза)
Для изучения состояния равновесия необходимо, прежде всего:
a) определить концентрации отдельных компонентов, входящих в
уравнение равновесия;
b) установить количественные соотношения между его компонентами;
c) рассмотреть возможность перехода одного компонента в другой.
Затем выявить растворимость карбоната кальция и, наконец, исследовать возможность перехода компонентов в твёрдую фазу.
Карбонатная система обладает определенной устойчивостью. Основными условиями ее устойчивости являются, во-первых, равновесие С02 , растворённой в воде с С02 , находящейся над раствором (примером служит газированная вода), во-вторых, соответствие содержания ионов Са 2+ и С02- с величиной произведения активностей этих ионов (БСаС03) при данных физических условиях и ионной силе раствора. 112
Факторы, определяющие как первое, так и второе условие, в природе изменчивы, поэтому легко в природе создаются условия для сдвига равновесия в ту или иную сторону.
Для характеристики отклонения данной системы от устойчивого равновесия могут быть использованы две величины:
1. Содержание С02 избыточное против равновесного.
Для характеристики отклонения С02 избыточной против равновесной принята величина так называемая агрессивная С02, получившая широкое применение в технике.
2. Степень насыщенности воды карбонатом кальция.
Для характеристики насыщенности воды СаС03 используется отношение из произведения активностей ионов Са2+ и С02-, найденных анализом (при данной температуре и ионной силе) к произведению растворимости СаС03 (справочные данные) при данной температуре. Методика определения компонентов карбонатно-кальциевого равновесия подробно изложена в руководстве [1]. Расчет компонентов карбонатно-кальциевого равновесия производили по методике и рекомендациям О.А. Алекина и Н.П. Моричевой [2], С.М. Романовой [3] без учета образования ионных пар и комплексов.
Систематическое исследование карбонатно-кальциевого равновесия воды рек Северного склона Иле Алатау (далее ССИА): Есик, Тургень, Талгар, Каскелен - притоков р. Или) было проведено в период 1959...1967 гг. М.А Ибрагимовой [4]. После этого периода изучение состояния данного равновесия в воде рек ССИА, к сожалению, не проводилось. В связи с вышеизложенным, нами изучено состояние равновесия в воде рек ССИА в различные сезоны 2009 года, а в воде рек Киши Алматы, Улькен Алматы, Есентай по течению (рис. 1.8).
Рис. 1. Изменение содержания свободного диоксида углерода в воде р. Киши Алматы в 2009 г. 1 - верховье, 2 - пр. Рыскулова, 3 - ист. Альмерек.
113
Рис. 2. Изменение содержания свободного диоксида углерода в воде р. Улкен Алматы и р. Есентай в 2009 г. 1 - р. Есентай, ул. Толе би, 2 - р. Есентай, м-н Айнабулак, 3 - р. Улкен Алматы, м-н Орбита, 4 - р. Улкен Алматы,
с. Баралдай.
Рис. 3. Изменение содержания свободного диоксида углерода в воде рек 1 - Талгар; 2 - Каскелен, верховье; 3 - Каскелен,низовье; 4 -Есик; 5 -
Тургень в 2009 г.
114
Рис. 4. Изменение содержания равновесного диоксида углерода в воде рек 1 - Мойка, 2 - Теренкара, 3 - Карасу в 2009 г.
Рис. 5. Изменение содержания равновесного диоксида углерода в воде р. Киши Алматы в 2009 г. 1 - верховье, 2 - пр. Рыскулова, 3 - ист. Альмерек.
115
Рис. 6. Изменение содержания равновесного диоксида углерода в воде рек 1 - Ащыбулак; 2 - Талгар; 3 - Улькен Алматы, верховье; 4 - Улькен Алматы, низовье в 2009 г.
Рис. 7. Изменение величины пересыщения воды карбонатом кальция рек 1 - Киши Алматы, верховье; 2 - Есентай,м-н Айнабулак; 3 - Мойка,
4 - Карасу в 2009 г.
116
о
1 г
0,9 -
0,8 -0,7 -0,6 -1 0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -ОД -0 -
Рис. 8. Изменение величины пересыщения воды карбонатом кальция рек. 1 - Теренкара; 2 - Татар; 3 - Каскелен, низовье; 4 - Есик; 5 - Ащыбулак в 2009 г.
Установлено наличие значительных колебаний основных компонентов карбонатного равновесного состояния в течение года. Основные компоненты равновесия в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное) находятся между собой в определенных количественных соотношениях. При уменьшении концентрации CO2, например, в процессе фотосинтеза или выделении в атмосферу, повышается значение рН, содержание ионов CO32- и создаются условия для пересыщения воды карбонатом кальция. Все это способствует сдвигу равновесия в сторону образования и осаждения карбоната кальция. Напротив, избыточная равновесная CO2 растворяет образующийся CaCO3 и ионы Ca 2+ и HCO3- переходят в воду. В свою очередь CO2 направляет процесс в обратную сторону. Таким образом, осаждение и растворение CaCO3 представляет собой два непрерывно и одновременно протекающих разнонаправленных процесса.
Все реки имеют воду ненасыщенную карбонатом кальция, величина пересыщения (S/St) колеблется в пределах: для р. Киши Алматы (0,01...0,41, среднегодовое значение 0,20); р. Улькен Алматы (0,02...064, среднегодовое значение 0,29), р. Есентай (0,01.0,53, среднегодовое 0,29), р. Мойка (0,09.0,41, среднегодовое значение 0,26), р. Карасу (0,07.0,64, среднегодовое значение 0,24), р. Теренкара (0,02.0,73, среднегодовое значение 0,25), р. Талгар (0,05.0,60, среднегодовое значение 0,22), р. Каскелен (0,02.0,91, среднегодовое значение 0,44), р. Ащыбулак (0,001.0,86, сред-
117
Месяц
2 4 6 8 10 12
негодовое значение 0,33), р. Есик (0,16.0,19, среднегодовое значение 0,17), р. Тургень (0,11. 0,56, среднегодовое значение 0,23).
В воде всех рек содержание свободной С02 превышает ее равновесную концентрацию в 1,3.39,2 раза. В связи с этим вода рек содержит агрессивную С02 в количестве от <1 до 7,7 мг/дм3. Это обстоятельство
весьма характерно для рек горного типа и связано с преобладанием в общем питании рек снежно-ледниковой составляющей.
В зимний период в результате образования ледяного покрова у береговой полосы, подо льдом происходит скопление свободной С02 , незначительное снижение величины рН, резкое уменьшение температуры. Все это способствует образованию вод, ненасыщенных карбонатом кальция. Согласно существующим нормам такая вода не представляет опасности для бетонных сооружений на портландцементе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / Под ред. А.Д. Семенова). - Л.: Гидрометеоиздат, 1977 - 541 с.
2. Моричева Н.П., Алекин О.А. Временная инструкция по определению рН, С02 свободной, равновесной, агрессивной. - М.: Наука, 1965. - 18 с.
3. Романова С.М., Кунанбаева Г.С. Карбонатно-кальциевое равновесие природных вод (методическое пособие). - Алматы: Казак. университет^ 2001. - 32 с.
4. Ибрагимова М.А. Физико-химическая характеристика воды рек бассейна оз. Балхаш: Афтореф. . дисс. канд. хим. наук / Каз ГУ им. С.М. Кирова. -Алма-Ата, 1969. - 24 с.
КазНУ им. аль Фараби
1ЛЕ АЛАТАУЫНЬЩ СОЛТYСТIК БЕТКЕЙ1НДЕГ1 вЗЕН СУЛАРЫНЬЩ КАРБОНАТТЫ-КАЛЬЦИЙЛ1 ТЕПЕ-ТЕЦД1К ЖАГДАЙЛАРЫН ЗЕРТТЕУ
Геогр. гылымд. докторы С.М. Романова
Мацалада табиги сулардыц мацызды нег1зг1 компоненттер1 болып табылатын 1ле Алатауыныц Солтуст1к беткешндег1 взен суларыныц карбонатты-кальцийлг тепе-тецдж жагдайларыныц сипаттамалары бертген.
118
