水体二氧化碳平衡系统及PH

水体二氧化碳平衡及PH本章摘要主要介绍天然水中二氧化碳平衡系统及PH了解影响二氧化碳平衡系统及PH的因素熟悉并掌握天然水体的PH对水产养殖的影响第一节二氧化碳平衡系统天然水体中存在着大量的碳元素，除少数以有机态存在外，大部分以溶解在水中的CO2，H2CO3，HCO3-，CO32-的形式存在。无机碳化合物的不同形式之间以及它们与气相中的CO2，液相中的H+，水分子和固相的碳酸盐之间都存在着许多具有内在联系的物理和化学平衡，这就是二氧化碳平衡系统1二氧化碳的溶解与逸出过程这是二氧化碳的气液界面的传递过程，静止的水和搅动的水的传递速率不一样。二氧化碳的溶解和逸出的方向取决于大气与水体之间的二氧化碳的分压差。2碳酸的一级与二级电离平衡CO2＋H2OHCO3－＋H＋HCO3－CO32-+H+3CaCO3的溶解、沉积平衡Ca2++CO32-CaCO3（s）Ca2++2HCO3－CaCO3（s）＋CO2+H2O溶解二氧化碳的水合过程和碳酸的脱水过程比较慢，实际水体中大量容存的是溶解二氧化碳，碳酸的量很少碳酸的电离平衡及CO32-，HC03-的水解平衡属于离子反应，速度较快。温度升高，压力减少，光合作用剧烈的水体，有利于CaCO3沉淀的生成，反之，有利于CaCO3的溶解。二氧化碳的电离平衡(一)混合平衡常数二氧化碳溶于水后，大部分CO2以溶解状态存在，少部分CO2与H20结合成碳酸并电离：溶解态CO2与未电离的H2CO3合称为游离二氧化碳，简称碳酸，记为H2CO*。用化学式外加方括号[]表示物质的量浓度。水中二氧化碳平衡合并表述为：这里的电离平衡常数是混合常数，混合常数是条件常数，数值随盐度而变，碳酸二级电离平衡的混合平衡常数Ka2.值，其表达式为：水中碳酸根，碳酸氢根，二氧化碳的相对含量主要取决于PH，大体有五种情况：见课本44页第二节天然水体的PH一、天然水中常见的弱碱、弱酸(一)酸碱的质子理论酸碱质子理论认为，能给出质子的物质是酸，能结合质子的物质是碱。反应：右边的除H+外都能结合质子如HCO3-、CO32-、NH3等都是碱，其中HCO3-是两性物质。酸、碱概念是相对而言的。要看在什么环境(介质)中，我们在水环境化学中，是以水为介质，H3O+为酸，OH—为碱，H2O为两性物质。二)天然水中常见的酸碱物质天然水中常见的能解离出质子及与质子结合的物质有：CO2·H20、CO32-、HCO3-、NH4+、、NH3、H2PO4—、PO43-、H2SiO3，HSiO3-、H3BO3、H4BO4等。这些物质在水中可形成如下酸碱平衡。从上述平衡可以看出，HCO3-、H2P04—、HP042—等既是酸，又是碱。因它既可给出(电离)质子，又可结合质子。上述这些平衡均可受水中H+浓度的影响。H+浓度增加可使上述平衡向左移，H+减少则平衡向右移。反过来说，则是水中酸碱物质的浓度比决定了水的pH。由于一般天然水中所含酸碱物质主要是碳酸盐的几种存在形态，即HCO3-、CO2、CO32-。在水中存在的平衡(1)与(2)左右天然水pH的平衡，其他平衡居次要地位。天然水几种常见酸碱的形态分布图4—1天然水几种常见酸碱的形态分布总反应式为：所以，Fe2+与Fe3+也是天然水中对pH有重要影响的物质。水中Fe3+因可水解而产生酸：(三)天然水的酸度酸度指水中能与强碱反应(表现为给出质子)的物质的总量，用1L水中能与OH-结合的物质的量来表示。天然水中能与强碱反应的物质除H3O+(简记为H+)外，常见的还有H2CO3*、HCO3-、Fe3+、Fe2+、Al3+等，后3种在多数天然水中含量都很小，对构成水酸度的贡献少。某些强酸性矿水、富铁地层的地下水可能含有较多的Fe3+(含氧、强酸)或Fe2+(酸性、缺氧)，在构成酸度上就不可忽略。总酸度:包括了强酸物质与H2CO3*的含量，用酚酞作指示剂，pH8．3无机酸度(又称强酸酸度):只包含水中的强酸物质，H2CO3*未参与反应,用甲基橙作指示剂，pH3.7。对于比较清洁的天然水，可以认为酸度就是由水中的强酸H+与游离二氧化碳构成.二、天然水的pH及缓冲性(—)天然水的pH天然水由于溶解了CO2、HCO3-等酸碱物质，使水具有不同的pH。依据pH，一般将天然水的酸碱性划分为如下5类：强酸性pH5．0弱酸性pH5．O-6．5中性pH6．5—8．O弱碱性pH8．O一10．O强碱性pH10．O大多数天然水为中性到弱碱性，pH为6.0—9.0。淡水pH多在6.5～8.5，部分苏打型湖泊水的pH可达9.0—9.5。海水pH—般在8.0～8.4。水中生物的光合作用和呼吸作用可引起水pH的变化。动植物生物量大的水体，表层水pH有明显的日变化。早晨天刚亮时pH较低，下午pH较高。(池塘、湖泊的动植物生物量大)地下水由于溶有较多的CO2，pH一般较低，呈弱酸性。某些铁矿矿坑积水，由于FeS2的氧化、水解，水的pH可能成强酸性，有的pH甚至可低至2--3。这是很特殊的情况（二)天然水的缓冲性天然水都有一定的缓冲性。因水中存在以下可以调节pH的平衡系统。1．碳酸的一级与二级电离平衡天然水存在碳酸的一级与二级电离平衡为：这两个平衡在水中一般都同时存在。pH8.3时，可以仅考虑第一个平衡，pH8.3时，则可仅考虑第二个平衡。在pH8.3附近，两个平衡都应同时考虑。为此可采用下式表达：2．CaCO3的溶解和沉淀平衡当水体系达到CaC03的溶度积，且水中有CaCO3(s)胶粒悬浮时，水中存在以下平衡：这一平衡可调节水中CO32-浓度。水中Ca2+含量足够大时，可以限制CO32-含量的增加，因而也限制了pH的升高。上述(3)、(4)两个平衡可以合并用下面一个平衡方程式表达：3．离子交换缓冲系统水中的黏土胶粒表面一般都有带电荷的阴离子或阳离子，多数为阴离子。这些表面带负电的基团可以吸附水中的阳离子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、H+等)，建立离于交换吸附平衡：4有机物缓冲系统水中存在的有机物如有机酸，蛋白质，腐殖质等，在水中离解时，他们结构中还有的羧基或者氨基，在水中与氢离子存在平衡关系，可以起到调节水中氢离子浓度的作用。水中其他弱酸盐如硼酸盐、硅酸盐、有机酸类的盐等，也存在相应电离平衡，也可以调节pH。比较起来，由于水中HCO3-含量比其他弱酸盐大得多，水的缓冲性主要还是靠上述(1)、(2)两个平衡系统起调节作用。海水由于离子强度很大，水中生成很多离子对，也对pH有缓冲作用。另外水中的Mg2+也可以限制pH的上升幅度，对于海水，这种作用明显。如池塘养鱼常采用生石灰清塘。这是用提高水pH的办法来达到杀死野杂鱼和消毒的目的。对于海水池塘，由于大量Mg2+的存在，使海水的pH很难提高，需要消耗大量的生石灰。不太适用。海水缓冲性大。天然水体的PH主要取决于水体中二氧化碳系统中各成分之间的相对比例，即CO2,HCO3-，CO32-三者的相对比例。CO2比例大时，PH较低，水偏酸性，CO32-比例大时，PH较高，水偏碱性。某些水体含有强酸，则这些水的PH决定于强酸的浓度。（三）海水体系的PH天然海水的PH比较稳定，而且一般呈弱碱性。海水的阳离子一般为强碱性的阳离子，阴离子一般为弱酸性的阴离子。海水的PH变化范围一般为7.5-8.6之间。三影响天然水PH变化的因素生物因素：水气二氧化碳交换生物光合作用、呼吸作用物理因素：温度，压力，水的混合作用化学因素：有机，无机物的氧化还原反应，碳酸盐的沉淀溶解课本48页四天然海水的PH和养殖的关系氢离子浓度一向被认为是养鱼水质的一个重要因素，分析养鱼用水的水质时通常都要测定pH值。这是因为氢离子浓度从多个方面影响到鱼和鱼的生产。鱼类能够安全生活的pH值范围大致是6～9，而最适宜的范围在鲤科鱼类为弱碱性，即pH值为7～8.5，在鲑科鱼类为中性附近即pH值为7上下。pH值超出一定范围高限为9.5～10，低限为4～5会直接造成鱼的死亡。pH值在安全范围内，当超出最适范围时也会对鱼类的生命活动起消极作用，从而影响到养鱼的成绩。例如，养鱼的实践证明鱼在酸性（pH值低于5.5），水体中对传染性鱼病特别敏感，呼吸困难即使水中并不缺氧，对饲料的消化率低，生长缓慢。pH值还通过影响其他的环境因子而间接影响到鱼。例如在低pH值下，Fe离子和H2S的浓度都会增高，而这些成份的毒性又和低pH值有协力作用，pH值越低，毒性越大；另一方面，高的pH值又会增大氨的毒性。另外pH值偏离了中性到弱碱性范围而变得过高或过低时，都会抑制植物的光合作用和腐败菌的分解作用；而前者又会影响到水体的氧气状况和鱼类的呼吸条件，后者又会影响到水中有机质的浓度。pH值还严重影响到水体的生物生产力pH值的不适宜会破坏水体生产的最重要的物质基础-磷酸盐和无机氮合物的供应。如果水偏碱会形成难溶的磷酸三钙，偏酸又会形成不溶性的磷酸铁和磷酸铝都会降低肥效在氮的循环中pH值也起重大作用，硝化作用固氮作用都以弱碱性pH值7.0～8.5最适宜，遇到酸性或弱碱性条件都会受到抑制，pH值还通过直接影响植物的光合作用和各类微生物的生命活动，从而影响水体的整个物质代谢。