Карбонатная система природных вод представлена совокупностью взаимосвязанных форм угольной кислоты: CO₂(aq), H₂CO₃, HCO₃⁻, CO₃²⁻. Основная её функция заключается в поддержании кислотно-щелочного равновесия воды, что проявляется в буферных свойствах, обеспечивающих стабильность pH при внесении кислот или оснований.
В водной среде растворённый углекислый газ существует в двух формах: свободный CO₂ и гидратированная форма H₂CO₃. Их концентрация связана равновесием:
[ CO₂(aq) + H₂O H₂CO₃]
Дальнейшая диссоциация угольной кислоты протекает ступенчато:
[ H₂CO₃ H⁺ + HCO₃⁻ (K_{a1})]
[ HCO₃⁻ H⁺ + CO₃^{2-} (K_{a2})]
Здесь (K_{a1}) и (K_{a2}) — константы кислотной диссоциации первой и второй ступени. При стандартных условиях (K_{a1} ^{-7}) и (K_{a2} ^{-11}) моль/л, что определяет значительную роль гидрокарбонат-иона как основного буфера природных вод.
Буферная способность определяется способностью системы нейтрализовать добавленные кислоты и основания, удерживая pH в узком диапазоне. Основной буферный диапазон карбонатной системы находится между pH 6,3–10,3, где соотношение HCO₃⁻/CO₃²⁻ или CO₂/HCO₃⁻ обеспечивает минимальные изменения концентрации H⁺.
Буферная емкость () описывается как:
[ = ]
где (dC_b) — количество эквивалентов сильного основания или кислоты, необходимое для изменения pH на единицу. Для карбонатной системы значение () максимальное вблизи pKa соответствующих диссоциаций, что объясняет её эффективность при нейтрализации слабых кислот и щелочей.
Растворимость CO₂ и равновесие диссоциации H₂CO₃ сильно зависят от температуры, давления и ионного состава воды. При повышении температуры растворимость CO₂ уменьшается, что приводит к смещению равновесия в сторону выделения газа. В пресных водах с низкой минерализацией буферная способность относительно слабее, чем в карбонатно-щелочных водах с высоким содержанием Ca²⁺ и Mg²⁺.
Кальций и магний создают карбонатные соли (CaCO₃, MgCO₃), которые вступают в динамическое равновесие с растворённой карбонатной системой:
[ CaCO₃(s) Ca^{2+} + CO₃^{2-}]
Это взаимодействие стабилизирует pH и предотвращает резкие колебания кислотности, что особенно важно для экосистем, чувствительных к изменениям водного рН.
Буферная карбонатная система регулирует скорость и направление множества химических процессов:
Стабильный pH, поддерживаемый карбонатным буфером, критически важен для водных экосистем. Изменения в концентрации CO₂, HCO₃⁻ и CO₃²⁻ могут приводить к:
Для количественного определения состояния карбонатной системы применяются:
Комплексный анализ позволяет оценить буферную емкость воды и прогнозировать её химическую стабильность в различных условиях воздействия антропогенных или природных факторов.