Υδρογεωχημεία- Αναλυτική γεωχημεία Ενότητα 4: Γεωχημεία υπόγειων νερών & ρύθμιση του ph

Transcript

1 Υδρογεωχημεία- Αναλυτική γεωχημεία Ενότητα 4: Γεωχημεία υπόγειων νερών & ρύθμιση του ph Αριάδνη Αργυράκη Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας και Γεωπεριβάλλοντος

2 Περιεχόμενα Σύστημα υπόγειου νερού Αντιδράσεις υδρόλυσης πυριτικών ορυκτών Ρύθμιση ph 2

3 Σύστημα υπόγειου νερού- εξέλιξη σύστασης 1. Είσοδος - χημική σύσταση κατακρημνισμάτων 2. Ζώνη αερισμού προσθήκη οργανικού υλικού και διάλυση αλάτων 3. Κορεσμένη ζώνη απομόνωση από το ατμοσφαιρικό Ο και κατανάλωση του για την οξείδωση των οργανικών ενώσεων. Αντιδράσεις νερού με ορυκτά μεταβολές ph, συγκέντρωση ιόντων 3

4 Αντιδράσεις με πυριτικά ορυκτά (Garrels, 1967) 1. Σε υδροφόρους ψαμμιτών ή διαρρηγμένων πυριγενών 2. Αντιδράσεις όξινης υδρόλυσης χρήση ανθρακικού οξέος κατά σύμβαση για απλοποίηση 3. Αύξηση ανθεκτικότητας ορυκτών αντίστροφα ανάλογη με τη Τ σχηματισμού τους 4. Προέλευση ιόντων Κ, Mg κυρίως από βιοτίτη και αμφίβολο 5. Προέλευση Na, Ca κυρίως από τα πλαγιόκλαστα (! Μετά από διόρθωση περιεκτικότητας λόγω σύστασης βρόχινου νερού και παραδοχή απουσίας γύψου και ασβεστίτη) 6. Διαπίστωση χημικής ισορροπίας μεταξύ υπόγειων νερών και καολινίτημοντμοριλλονίτη για τους περισσότερους υδροφόρους 4

5 Προέλευση κυρίων ιόντων στο υπόγειο νερό Ιόν Na K Mg Ca HCO3 SO4 Cl H4SiO4 Προέλευση Διάλυση NaCl, υδρόλυση πλαγιοκλάστου, βρόχινο νερό Αποσάθρωση βιοτίτη, Κ-ούχου αστρίου Αποσάθρωση αμφίβολου, πυρόξενου, βιοτίτη, δολομίτη, ολιβίνη Ασβεστίτης, δολομίτης, πλαγιόκλαστο, βρόχινο νερό Ασβεστίτης, δολομίτης Σιδηροπυρίτης, γύψος, βρόχινο νερό Διάλυση NaCl, βρόχινο νερό Αποσάθρωση πυριτικών Πίνακας 1 5

6 Ορισμός ph (1/2) H 2 O H + + ΟH - στους 25 o C K w [ H ][ OH ] 14 [ H ][ OH ] 10 [ H O] 2 G R (0) ( 157.2) (237.14) (log Kw / ) pk w log K w ph poh 14 log[ H ] log[ OH ] 6

7 ph = poh = 7 ph < 7 ph > 7 Ορισμός ph (2/2) Ουδέτερο διάλυμα Όξινο διάλυμα ph φυσικών νερών 4 10 Αλκαλικό διάλυμα To ph των υδάτων της γης ρυθμίζεται μέσω αντιδράσεων συστατικών της λιθόσφαιραςυδρόσφαιρας- ατμόσφαιρας 7

8 ph και θερμοκρασία T ( o C) -log Keq T ( o C) -logkeq Πίνακας 2 8

9 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΙΑΣΤΑΣΗΣ ΟΞΕΟΣ (1/2) H 2 CO 3 + H 2 O HCO H 3 O + ή H 2 CO 3 HCO H + HCO 3 - CO H + K a [ HCO3 ] [ H3O ] [ H CO ] [ H O] ή K a [ HCO3 ][ H [ H CO ] 2 3 ] pk log a K a 9

10 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΣΤΑΘΕΡΑ ΔΙΑΣΤΑΣΗΣ ΟΞΕΟΣ (2/2) ph H2CO3 HCO3- CO3= Πίνακας 3 10

11 % ενώσεων C ΜΕΤΑΒΟΛΗ (%) ΕΙΔΟΥΣ ΕΝΩΣΗΣ C ΜΕ ΤΟ ph H2CO3 HCO3- CO3= ph Εικόνα 1 11

12 Ανθρακικό σύστημα ως ρυθμιστής του ph Ατμόσφαιρα CO 2(αέριο) + H 2 O = H 2 CO 3 pk = 1.46 Υδρόσφαιρα H 2 CO 3 + H 2 O = H 3 O + + HCO 3 - pk = 6.35 HCO H 2 O = H 3 O + + (CO 3 ) 2- pk = Λιθόσφαιρα Ca 2+ + (CO 3 ) 2- = CaCO 3 (στερεό) pk = -8.48! Ισχύουν για 25 ο C, 1 atm 12

13 Υδρόσφαιρα Στα περισσότερα φυσικά νερά (ph = 6-10) επικρατεί το HCO3- που προέρχεται από την πρώτη διάσταση του H 2 CO 3 To H 2 CO 3 επικρατεί σε όξινα νερά (ph<6.35) H CO 3 2- επικρατεί σε αλκαλικά νερά (ph>10.33) Παράδειγμα: Σε κανονικές συνθήκες, η σχετική ενεργότητα H 2 CO 3 / ΗCO 3 - σε δείγμα νερού με ph =4 υπολογίζεται: Κ a1 = HCO3 [H + ] [H2CO3] => [H2CO3] [HCO3 ] = [H+ ] K a1 = = 224 Δηλαδή στο όξινο ph 4, η ποσότητα του H 2 CO 3 είναι 224 φορές περισσότερη από αυτή του ΗCO 3-13

14 Υδρόσφαιρα - Ατμόσφαιρα (1/2): Ανοιχτό σύστημα σε ισορροπία με το ατμοσφαιρικό CO2 Η χημική ισορροπία μεταξύ ατμοσφαιρικού CO 2 και H 2 CO 3 είναι: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Δεχόμαστε ότι όλο το διαλυμένο CO 2 βρίσκεται με μορφή H 2 CO 3 Σύμφωνα με τον νόμο του Henry η ποσότητα του H 2 CO 3 στο διάλυμα η οποία βρίσκεται σε ισορροπία με δεδομένης πίεσης CO 2 σε αέρια κατάσταση υπολογίζεται ως: [H 2 CO 3 ] = K CO2 P CO2 Όπου K CO2 η σταθερά του Henry (εξαρτάται από την Τ) και P CO2 η μερική πίεση του CO 2 σε atm 14

15 Υδρόσφαιρα- Ατμόσφαιρα (2/2): Ανοιχτό σύστημα σε ισορροπία με το ατμοσφαιρικό CO 2 Ισχύει επίσης η αρχή της ηλεκτρικής ουδετερότητας του διαλύματος, δηλ. η ποσότητα των θετικών ιόντων είναι ίση με αυτή των αρνητικών, οπότε: m H+ = m HCO m CO m OHόπου m, η μοριακή συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα Από την παραπάνω σχέση ισχύει ότι αν το διάλυμα περιέχει ΗCO 3 - ή CO 3 2- τότε [H + ] > [ΟΗ] δηλαδή το διάλυμα είναι όξινο Επειδή σε όξινο ph το κυρίαρχο είδος ιόντος είναι το ΗCO 3 - θα ισχύει: m H+ = m HCO3-15

16 Παράδειγμα: Το ph βρόχινου νερού σε ισορροπία με το ατμοσφαιρικό CO 2 υπολογίζεται ως εξής: Η μερική πίεση του CO2 στην ατμόσφαιρα είναι atm Η σταθερά του Henry στους 25 οc είναι Ισχύει: και [H 2 CO 3 ] = K CO2 P CO2 = ( )( ) = [ΗCO 3 - ] [H + ] = K a1 [H 2 CO 3 ] = ( )( ) = Υποθέτοντας ότι [ΗCO 3 - ] = [H + ], [H + ] 2 = => [H + ] = ph = -log [H + ] = -log = 5.66 Δηλαδή το ph του βρόχινου νερού είναι όξινο. Ο όρος «όξινη βροχή» αφορά βρόχινο νερό με ph <

17 Σχέση ph - CO2 - [ΗCO3- ] (1/2) Μεταβολές της συγκέντρωσης του CO 2 επιφέρουν μεταβολή του ph Από τις σχέσεις: [H 2 CO 3 ] = K CO2 P CO2 και K a1 = [ΗCO 3 - ] [H + ] / [H 2 CO 3 ] Ισχύει: K a1 = [ΗCO 3 - ] [H + ] / K CO2 P CO2 => P CO2 = [ΗCO 3 - ] [H + ] / K a1 K CO2 => log P CO2 = -ph + log ([ΗCO 3 - ] / K a1 K CO2 ) 17

18 Σχέση ph - CO2 - [ΗCO3- ] (2/2) Διεργασία Χημ. Αντίδραση ph Αύξηση Τ Μείωση διαλυτότητας CO 2 Αύξηση Ελάττωση Τ Αύξηση διαλυτότητας CO 2 Μείωση Φωτοσύνθεση 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H12O 6 + 6O 2 Αύξηση Αναπνοή C 6 H12O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Μείωση Αναερόβια αποσύνθεση 2 CH 2 O CH 4 + CO 2 Μείωση Απονίτρωση 5CH 2 O + 4NO H + 5CO 2 + 2N 2 + 7H 2 O Αύξηση Διάλυση ανθρακικών Καθίζηση ανθρακικών Αποσάθρωση αργιλοπυριτικών CaCO 3 +2H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2 Ca 2+ + H 2 O + CO 2 CaCO 3 +2H + 2KAlSi 3 O 8 +2CO 2 +11H 2 O Al 2 Si 2 O 5 (OH) +2K + +2HCO H 4 SiO 4 Αύξηση Μείωση Αύξηση Πίνακας 4 18

19 Υδρόσφαιρα- Λιθόσφαιρα Για να αποκτήσει ένα φυσικό νερό αλκαλικό ph απαιτείται η παρουσία κατιόντων εκτός του Η + στο διάλυμα Σε ασθενώς αλκαλικά νερά το ph ρυθμίζεται μέσω αντιδράσεων του ανθρακικού οξέως και ανθρακικών ορυκτών (ασβεστίτης, αραγωνίτης) αποτέλεσμα είναι η αύξηση της συγκέντρωσης Ca 2+ στο διάλυμα Οι εξισώσεις που ισχύουν για την περιγραφή του συστήματος περιλαμβάνουν: [H 2 CO 3 ] = K CO2 P CO2 K a1 = [ΗCO 3 - ] [H + ] / [H 2 CO 3 ] K a2 = [CO 3 2- ] [H + ] / [ΗCO 3 - ] K sp =[Ca 2+ ] [CO 3 2- ] m H+ + 2m Ca2+ = m HCO m CO m OH- 19

20 pkα ΟΞΕΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΣΗΜΑΣΙΑΣ ΟΞΥ ΤΥΠΟΣ pk a1 pk a2 pk a3 Υδροχλωρικό HCl -3 Θειικό H 2 SO Νιτρικό HNO3 0 Οξαλικό H2C2O Φωσφορικό H3PO Υδροφθορικό HF 3.18 Μυρμηκικό HCOOH 3.75 Οξικό CH3COOH 4.76 Ανθρακικό H2CO Βορικό H3BO >14 Πυριτικό H4SiO >14 Ισχυρό Ασθενές Πίνακας

21 Τέλος Ενότητας Γεωχημεία υπόγειων νερών & ρύθμιση του ph

22 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 22

23 Σημειώματα

24 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση

25 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Εθνικόν και Καποδιστριακόν Πανεπιστήμιον Αθηνών, Αριάδνη Αργυράκη 2015, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια. «Υδρογεωχημεία-Αναλυτική Γεωχημεία.». Έκδοση: 1.0. Αθήνα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 25

26 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 26

27 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 27

28 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (1/2) Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Πίνακες Πίνακας 1: Προέλευση κυρίων ιόντων στο υπόγειο νερό. Copyright Prentice Hall, New Jersery. Πηγή: The Global Environment: Water, Air and Geochemical Cycles. Editted by Berner E.K. & Berner R.A., Πίνακας 2: ph και θερμοκρασία. Copyright CRC Press LLC Πηγή: CRC handbook of chemistry and physics. Edited by David R. Lide. Internet version Σύνδεσμος: Πίνακας 4: Σχέση ph - CO2 - [ΗCO3- ]. Copyright Ευριδίκη Π. Κωσταράκη, Scientific Textbook Publishing Πηγή: Αρχές Περιβαλλοντικής Γεωχημείας. Μετάφραση από την αγγλική έκδοση: Principles of Environmental Geochemistry, by Nelson G. Eby, 2004 Brooks/Cole, Thomspon Learning Inc. 28

29 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (2/2) Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Πίνακες Πίνακας 5: pkα οξέων περιβαλλοντικής σημασίας. Copyright Prentice Hall, New Jersey. Πηγή: The Geochemistry of Natural Waters, 3ed, Edited by Drever J.I. 29