اسیدیته (acidity) آب

اسیدیته (acidity) آب، ظرفیت کمّی آب را برای واکنش با یک بازِ قوی برای رسیدن به یک pH نشان می دهد. رابطۀ بین pH و اسیدیتۀ یک محلول، شبیه به رابطۀ بین دما و محتوای گرمایی آن است. همان طور که برای کاهش دمای آب باید محتوای گرمایی آن کاسته شود، به طور مشابه، برای افزایش pH آب نیز باید اسیدیته آن کاهش یابد.

منابع اسیدیته آب

کربن دی اکسید (CO₂)، باران های اسیدی، اسیدهای معدنی و اسیدهای آلی از منایع اسیدیته در آب هستند.

باران های اسیدی می توانند یکی از منابع اسیدیته در آب های طبیعی باشند. pH باران های اسیدی، کمتر از 5 است و ممکن است به 2 تا 4 نیز برسد. کاهش pH باران های اسیدی، ناشی از حضور اسیدی های معدنی قوی همچون سولفوریک اسید، نیتریک اسید و هیدروکلریک اسید در آنهاست. منسأ اسیدهای معدنی قوی در آب  باران، اسیدهای نافلزی (مثل SO₂ و NO_x) و هیدرو هالوژن ها (مثل HCl و HF) است. در جوّ، معمولاً یک غلظت زمینۀ طبیعی از نیتروژن اکسیدها (NO_x) و سولفوریدوکسید (SO₂) وجود دارد که ممکن است بر اثر اکسایش، به ترتیب، به نیتریک اسید و سولفوریک اسید تبدیل شوند. گَرد آب دریایی، منشأ یون کلرید (Cl^–) در جوّ است که به تشکیل هیدروکلریک اسید در آب باران منجر می شود. pH آب بارانِ غیراسیدی حدود 5/6 است که ناشی از انحلال کربن دیوکسید جوّ و تشکیل کربنیک اسید در آب باران است. در بعضی مناطق، غلطت زمینۀ طبیعی اسیدهای قوی در جوّ به اندازه ای است که بتواند pH آب باران را به کمتر از 5/6 برساند. از سوختن سوخت های فسیلی نیز غلظت ترکیبات نیتروژن و گوگرد در جوّ افزایش می یابد و به کاهش بیشتر pH آب باران منجر می شود. مشاهده شده که در اکثر باران های با pH کم، سولفوریک اسید، اسیدِ غالب بوده است.

در بعضی مناطق، خاک ها یا سازندهای زمین شناختی حاوی کانی های سولفیدی، همچون پیریت (کانی FeS₂)، هستند؛ هنگام تماس این کانی ها با آب و اکسیژن، اکسایش رخ می دهد و سولفوریک اسید تشکیل می شود.

به علاوه، فریک سولفات ممکن است، بر اثرِ آب کافت، به سولفوریک اسید تبدیل شود.

فریم سولفات ممکن است با پیریت واکنش دهد و گوگرد عنصری تشکیل شود.گوگرد عنصری نیز، توسط باکتری های اکسندۀ گوگرد، اکسیده می شود و سولفوریک اسید به وجود می آید.

نمک های فلزات سنگین، به ویژه فلزات سه ظرفیتی آهن و آلومینیوم، بر اثر آب کافت، باعث افزایش اسیدیته آب می شوند.

فاضلاب های بعضی از صنایع، همچون صنایع متالوژی و برخی از صنایع تولید مواد آلی سنتزی، حاوی اسیدهای معدنی هستند و در صورتی که این فاضلاب ها در آب های پذیرنده تخلیه شوند، موجب افزایش اسیدیته این آب ها می شوند.

گروه های اسیدی موجود در مولکول های مواد گیاخاکی، باعث کاهش pH آب های دارای مقادیرِ زیادِ مواد گیاخاکی می شوند.

آب های مناطق جنگلی نیز غالباً pH پایینی دارند؛ زیرا معمولاً غلظت هیومیک اسیدها در آنها زیاد است. حضور اسیدهای آلی در آب ها ممکن است ناشی از فاضلاب های صنعتی نیز باشد.

اثر نوسانات غلظت کربن دیوکسید (CO₂) بر pH آب

نقش کربن دی اکسید محلول در کاهش pH به این صورت است که طبق واکنش های 1 و 2، بر اثر انحلال کربن دیوکسید جوّ، کربنات و بی کربنات در آب آب تغییر نمی کند، ولی pH کاهش و غلظت کل کربن معدنی افزایش می یابد.

در اثر انحلال CO₂ در آب، کربنیک اسید تشکیل می شود. چون کربنیک اسید، اسید دوپروتونی است، در دو مرحله پروتون زدایی می شود. یون بی کربنات (HCO₃^–) فراوردۀ مرحله اول پروتون زدایی و یون کربنات (CO₃^2-) فراوردۀ دوم پروتون زدایی کربنیک اسید است.

واکنش 1:

ثابت تعادل واکنش بالا، موسوم به ثابت واکنش تفکیک اسید (K_a)، از رابطه زیر بدست می آید:

واکنش تفکیک مرحله دوم به صورت زیر است:

واکنش 2:

ثابت تعادل واکنش بالا از رابطۀ زیر تعیین می شود:

مقادیر K_a1 و K_a2 به دما بستگی دارد.

*برای بدست آوردن مقادیر K_a1 و K_a2 در دماهای مختلف به لینک زیر توجه کنید:

لینک

از جمع دو واکنش 1 و 2 داریم:

واکنش 3:

مشاهده می شود که با حذف CO₂، غلظت CO₃^2- افزایش می یابد. متعاقباً، CO₃^2- آب کافت می شود.

واکنش 4:

با آزاد شدن OH^– در آب، pH افزایش می یابد. در واکنش 3، با حذف یک موکلول CO₂، دو یون بی کربنات مصرف و یک یون کربنات تولید می شود؛ لیکن در واکنش 4، با آب کافت هر یون کربنات تولید شده، فقط یک یون از دو یون بی کربنات مصرف شده جبران می شود. در نتیجه، با حذف CO₂، غلظت کل کربن معدنی کاهش و pH افزایش می یابد. لازم به یادآوری است که در آب های طبیعی معمولاً این افزایش pH، در صورت حضور کلسیم، با رسوب کلسیم کربنات تعدیل می شود.

در آب های سطحی، به علت فوتوسنتز، غلظت CO₂ در طول شبانه روز تغییر می کند. در طول روز، در نتیجه فوتوسنتز، غلطت CO₂ کاهش و pH افزایش می یابد، لذا pH در بعد از ظهر به حداکثر می رسد، لیکن در شب کاهش می یابد. در حین فوتوسنتز، بر اثر افزایش pH، غلظت بی کربنات آب کاهش می یابد و اگر در این آب ها کلسیم کافی موجود باشد، CaCO₃ رسوب می کند. به همین دلیل در آب های میان یا پر قلیائیت، در بعد از ظهرها، به علت وجود رسوبات معلق CaCO₃، رنگ ظاهری آب شیری یا سفید می شود. در شب در غیاب فوتوسنتز و در نتیجۀ تنفس آبزیان، غلظت CO₂ افزایش می یابد و به دلیل انحلال مجدد CaCO₃، سفیدی آب محو می شود. گاهی ممکن است CaCO₃ بر اثر ته نشینی از ستون آب جدا شود، که اصطلاحاً این پدیده را تشکیل مارل (marl formation) می نامند. مارل ته رسوبی است که در آن، درصد زیادی از کلسیم کربنات و منیزیم کربنات با رس و سیلت مخلوط شده است.

در آب هایی که غلظت سدیم آنها در مقایسه با غلظت های سدیم و پتاسیم اندک است و فوتوسنتز باعث ترسیب کربنات نمی شود، گیاهان قلیادوست از بی کربنات ناشی از آب کافت کربنات، به عنوان منبع کربن برای فوتوسنتز، استفاده می کنند چنانچه رشد این گیاهان زیاد باشد، pH ممکن است به 11 تا 12 هم برسد. معمولاً در آب هایی که در آنها کلسیم قابل ملاحضه ای وجود دارد، فوتوسنتز نمی تواند pH آب را به بیش از 9 تا 10 برساند. تأثیر فوتوسنتز روی pH در آب های کم قلیائیت، شدیدتر از آب های پُرقلیائیت است؛ زیرا چنین آب هایی از ظرفیت بافری اندکی برخوردارند.

مقدار کربن معدنی در دسترس گیاهان آبزی به pH و قلیائیت بستگی دارد. در قلیادیت یکسان، با افزایش pH، مقدار CO₂ کاهش می یابد؛ لیکن در pH یکسان، با افزایش قلیائیت، غلظت CO₂ افزایش می یابد. بدیهی است بای گیاهان آبزی که از بی کربنات به عنوان منبع کربن برای فوتوسنتز استفاده می کنند، کربن معدنی در دسترس آنها با افزایش قلیائیت بالا می رود. چون در منابع آب بر آورد مقدار کربن معدنی در دسترس گیاهان آبزی مشکل است، معمولاً آن را از طریق اعمال ضریب در مقدار قلیائیت به دست می آوردند.

اندازه گیری اسیدیته

اسیدیته آب از طریق تیترسنجی، با یک باز استاندارد تا رسیدن به نقطه نهایی pH، اندازه گیری می کنند. معمولاً دو نقطه نهایی pH، یکی 3/7 و دیگری 8/3، برای اندازه گیری اسیدیته استاندارد استفاده می شود. مقدار اسیدیته تا نقطه نهایی pH=3/7، معمولاً مربوط به اسیدهای قوی است و این بخش از اسیدیته را اسیدیته معدنی می نامند. اسیدیته تا نقطه نهایی pH=8/3 معرف اسیدیته کل و شامل اسیدیته معدنی به اضافۀ اسیدیته مربوط به اسیدهای ضعیف (غالباً کربن دیوکسید) است. در هنگام تیترسنجی، نقطه نهایی pH، با یک پی اچ سنج یا یک نشانگر رنگی که در نقطۀ نهایی pH تغییر زنگ می دهد، کنترل می شود. در آزمایش اسیدیته، کاربرد دو نشانگر رنگی، یکی میتل اورانژ در تعیین اسیدیته معدنی و دیگر فنل فتاائین در تعیین اسیدیته کل، متداول است؛ از این رو، در بعضی منابع، اسیدیته معدنی را اسیدیته متیل اورانژ و اسیدیته کل را اسیدیته فنل فتالئین نیز می نامند.

با توجه به حجم باز مصرف شده، غلظت اسیدیته آب را می توان از معادلۀ زیر به دست آورد:

که در آن، Aci اسیدیته (eq/L)، _b∀ حجم باز مصرف شده در تیترسنجی برای رسیدن به نقطه نهایی pH (mL)، N_b نرمالیته بازِ مصرف شده (eq/L) و _s∀ حجم نمونه آب (mL) است. چنانچه طرف راست رابطۀ بالا در عدد 50.000  ضرب شود، غلظت اسیدیته بر حسب mg/L as CaCO₃ به دست می آید.

منبع:

• تائبی، امیر (1398). کیفیت آب (مبانی و محاسبات)