Введение
Способность воды сопротивляться изменениям pH, которые делают воду более кислой. Алкальность (от القلوية) – это способность воды сопротивляться закислению. Её не следует путать с основностью (базичностью), которая является абсолютным измерением по шкале pH. Алкальность представляет собой силу буферного раствора, состоящего из слабых кислот и их сопряженных оснований. Она измеряется путем титрования раствора кислотой, такой как HCl, до резкого изменения pH или достижения известной конечной точки, где это происходит. Алкальность выражается в единицах концентрации, таких как мэкв/л (миллиэквиваленты на литр), мкэкв/кг (микроэквиваленты на килограмм) или мг/л CaCO3 (миллиграммы на литр карбоната кальция). Хотя алкальность – это термин, используемый в основном лимнологами и океанографами, он также применяется гидрологами для описания временной жесткости. Более того, измерение алкальности важно для определения способности водотока нейтрализовать кислотное загрязнение от дождей или сточных вод. Это один из лучших показателей чувствительности водотока к поступлению кислот. Долгосрочные изменения алкальности ручьев и рек могут происходить в ответ на антропогенное воздействие, такое как кислотные дожди, вызванные выбросами SOx и NOx.
Alkalinity (from القلوية) is the capacity of water to resist acidification. It should not be confused with basicity, which is an absolute measurement on the pH scale. Alkalinity is the strength of a buffer solution composed of weak acids and their conjugate bases. It is measured by titrating the solution with an acid such as HCl until its pH changes abruptly, or it reaches a known endpoint where that happens. Alkalinity is expressed in units of concentration, such as meq/L (milliequivalents per liter), μeq/kg (microequivalents per kilogram), or mg/L CaCO3 (milligrams per liter of calcium carbonate). Although alkalinity is primarily a term used by limnologists and oceanographers, it is also used by hydrologists to describe temporary hardness. Moreover, measuring alkalinity is important in determining a stream's ability to neutralize acidic pollution from rainfall or wastewater. It is one of the best measures of the sensitivity of the stream to acid inputs. There can be long term changes in the alkalinity of streams and rivers in response to human disturbances such as acid rain generated by SOx and NOx emissions.
История
В 1884 году профессор Вильгельм (Уильям) Диттмар из колледжа Андерсон, ныне Университета Стратклайда, проанализировал 77 образцов нетронутой морской воды со всего мира, привезенных экспедицией "Челленджер". Он обнаружил, что в морской воде основные ионы находятся в фиксированном соотношении, подтверждая гипотезу Йохана Георга Форкхаммера, которая теперь известна как принцип постоянных пропорций. Однако было одно исключение. Диттмар обнаружил, что концентрация кальция немного выше в глубинах океана, и назвал это повышенной щелочностью. Также в 1884 году Сванте Аррений представил свою докторскую диссертацию, в которой отстаивал существование ионов в растворе и определил кислоты как доноры ионов гидроксония, а основания – как доноры ионов гидроксида. За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году. См. также Сванте Аррений#Ионная диссоциация.
Упрощенное резюме
Алкальность в общих чертах относится к молярному количеству оснований в растворе, которые могут быть преобразованы в незаряженные виды сильной кислотой. Например, 1 моль HCO3− в растворе представляет собой 1 молярный эквивалент, в то время как 1 моль CO32− – это 2 молярных эквивалента, поскольку для нейтрализации заряда потребуется вдвое больше ионов H+. Общий заряд раствора всегда равен нулю. Это приводит к параллельному определению щелочности, основанному на балансе зарядов ионов в растворе. Определенные ионы, включая Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl−, SO42− и NO3−, являются "консервативными", то есть не подвержены влиянию изменений температуры, давления или pH. Общая щелочность практически не зависит от температуры, давления или pH, и поэтому сама по себе является консервативной характеристикой, что повышает ее полезность в водных системах. Все анионы, кроме HCO3− и CO32−, имеют низкие концентрации в поверхностных водах Земли (ручьях, реках и озерах). Таким образом, карбонатная щелочность, которая равна, также приблизительно равна общей щелочности в поверхностных водах. Щелочность равна стехиометрической сумме оснований в растворе. В большинстве поверхностных вод Земли карбонатная щелочность обычно составляет основную часть общей щелочности из-за широкого распространения и растворения карбонатных пород, а также других геологических процессов выветривания, производящих карбонат-анионы. Другие распространенные природные компоненты, которые могут вносить вклад в щелочность, включают борат, гидроксид, фосфат, силикат, растворенный аммиак и сопряженные основания органических кислот (например, ацетат). Растворы, полученные в лаборатории, могут содержать практически неограниченное количество видов, способствующих щелочности. Щелочность часто выражается в молярных эквивалентах на литр раствора или на килограмм растворителя. В коммерческих (например, в индустрии бассейнов) и нормативных контекстах щелочность также может быть выражена в частях на миллион эквивалентного карбоната кальция (ppm CaCO3). Щелочность иногда ошибочно используется как синоним базичности. Например, добавление CO2 снижает pH раствора, тем самым уменьшая базичность, в то время как щелочность остается неизменной (см. пример ниже). Для различных методов измерения щелочности определены различные титранты, конечные точки и индикаторы. Соляная и серная кислоты являются распространенными кислотными титрантами, а фенолфталеин, метил красный и бромокрезоловый зеленый – распространенными индикаторами.
Растворение карбонатных пород
Добавление CO2 в раствор, находящийся в контакте с твердым веществом, может (со временем) влиять на щелочность, особенно в отношении карбонатных минералов, контактирующих с грунтовыми или морскими водами. Растворение (или осаждение) карбонатных пород оказывает значительное влияние на щелочность. Это связано с тем, что карбонатные породы состоят из CaCO3, и при его диссоциации в раствор поступают Ca2+ и CO32−. Ca2+ не влияет на щелочность, но CO32− увеличивает щелочность на 2 единицы. Усиление растворения карбонатных пород из-за подкисления, вызванного кислотными дождями и горнодобывающей деятельностью, способствовало увеличению концентрации щелочности в некоторых крупных реках восточной части США. Это не влияет на щелочность океана, но приводит к снижению показателя pH (известного как закисление океана). Увеличение щелочности океана было предложено как один из способов повышения щелочности океана и, следовательно, буферизации изменений pH. Биологические процессы оказывают гораздо большее влияние на щелочность океана в краткосрочной перспективе (от минут до столетий). Аэробное дыхание органического вещества может снижать щелочность за счет высвобождения протонов.
Глобальная временная и пространственная изменчивость
В океане щелочность меняется с течением времени, наиболее заметно в геологических масштабах (тысячелетия). Изменения в балансе между выветриванием суши и осаждением карбонатных минералов (например, в связи с закислением океана) являются основными долгосрочными факторами, определяющими щелочность океана. В масштабах человеческой жизни средняя щелочность океана относительно стабильна. Сезонная и годовая изменчивость средней щелочности океана очень низкая. Щелочность варьируется в зависимости от местоположения под влиянием испарения/осадков, переноса вод, биологических и геохимических процессов. Существует множество программ для измерения, регистрации и изучения щелочности океана, а также других характеристик морской воды, таких как температура и соленость. К ним относятся: GEOSECS (Геохимическое исследование океанических сечений), TTO/NAS (Исследование переходных трассеров в океане/исследование Северной Атлантики), JGOFS (Совместное глобальное исследование океанических потоков), WOCE (Эксперимент по изучению циркуляции Мирового океана), CARINA (Углекислый газ в Атлантическом океане).