1.Диоксид углерода (СО₂), растворяясь в воде, частично вступает с ней во взаимодействие с образованием угольной кислоты Н₂СО₃.

Суммарную концентрацию СО₂ и Н₂СО₃   принимают за концентрацию свободной угольной кислоты. Расчет содержания свободной углекислоты ведется на СО_{2 своб.} (так как Н₂СО₂ = 1%). Концентрация свободной углекислоты в поверхностных водах определяется парциальным давлением диоксида углерода в атмосфере.

Концентрация свободной углекислоты:

- в поверхностных водах до 10-30 мг/л;

- в подземных водах до n∙ 100мг/л,

(с повышением t⁰ растворимость СО₂ падает!).

2. Гидрокарбонаты (НСО ) образуются: Н₂СО₃ ↔ Н⁺  + НСО .

НСО  - поступают в воду в результате растворения карбонатных пород под действием СО₂.

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О → Са (НСО₃)₂

Мg СО₃ + СО₂ + Н₂О → Мg (НСО₃)₂

Гидрокарбонаты – наиболее распространенная форма содержание углекислоты в природных водах при средних значениях рН. Они обуславливают щелочность воды.

3. Карбонат – ионы (СО ).

НСО₃ ^- ↔ Н⁺ + СО .

СО  - содержаться только в щелочных водах (рН >8.4). В присутствии Са²⁺ содержание СО невелико, вследствие малой растворимость СаСО₃. В присутствии СО₂ растворимость СаСО₃ увеличивается. 

Содержание различных форм углекислоты в воде рассчитывают, исходя из констант диссоциации по 1-й и 2-й степени и ПР СаСО₃.

[H₂CО₃]- концентрация недиссоциированных молекул Н₂СО₃, СО₂.

Содержание свободной углекислоты в воде при рН 5-8.3 вычисляют по формуле

                             , где

 - содержание свободной углекислоты (мг/л).

Щ_о –общая щелочность воды (мг-экв/л).

I – ионная сила раствора.

В природных водах устанавливается динамическое равновесие

Н₂О + СО₂ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО  ↔ 2Н⁺ +СО .

Одновременно все формы углекислоты присутствовать не могут. Устойчивыми системами являются следующие:

1. СО₂+Н₂О

2. СО₂+НСО

3. НСО

4. НСО  +СО

5. СО  +ОН^-

Основная карбонатная система:

Н₂О + СО₂ → Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО .

В природных водах рН зависит от соотношения различных форм углекислота:

- при низких рН (рН<4,2) в воде присутствует только свободная угольная кислота,

- при повышении рН (4,2 до 8,3) в воде свободная углекислота и гидрокарбонаты;

- при рН =8,3 -8,4 в воде находятся только гидрокарбонаты (~98%);

- при рН > 8,4 – в воде появляются СО  - в равновесии НСО ;

- при рН > 12 СО  - преобладающая форма.

Существуют кривые по которым можно определить рН и углекислоту.

Рис.2 .Зависимость содержания различных форм угольной кислоты от рН.

Углекислота в форме карбонат – ионов называется связанной. Принято считать, что гидрокарбонаты состоят наполовину из связанной и полусвязаной угольной кислоты, так как при разложении дают карбонаты (связанную) и свободную углекислоту (полусвязаную).

2 НСО  ↔ СО₂ + СО  + Н₂О.

Содержание полусвязаной угольной кислоты используется для вычисления концентрации агрессивной угольной кислоты в воде. Если в воде одновременно присутствуют свободная углекислота и гидрокарбонаты, то в состоянии равновесия определенному содержанию НСО  соответствует определенное содержание свободной углекислоты, которое называется равновесной углекислотой. Избыток свободной угольной кислоты над равновесной, растворяющей СаСО₃, называется агрессивной углекислотой.  Содержание равновесной угольной кислоты [СО₂]_р в состоянии равновесия рассчитывается по формуле:

                    , где

γ ^/  и  γ^//  - коэффициенты активности соответственно ионов НСО  и Са²⁺;

К₁ и К₂- константы диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступеням.

[СО₂]_р – концентрация равновесной угольной кислоты мг/л.

Вода с одинаковым содержанием свободной углекислоты, но с различной концентрацией НСО будут проявлять неодинаковую активность по отношению к карбонату кальция. Поэтому маломинерализованные воды, вследствие избытка свободной угольной кислоты, могут проявлять агрессивные свойства по отношению к бетону.

Стабильность воды

Воды, в которых соблюдается основное карбонатное равновесие, называются стабильными. Они не изменяют избыток свободной угольной кислоты над равновесной называются агрессивными. При контакте с бетоном или карбонатами такие воды вызывают растворение карбонатных составляющих.

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О ↔ СаНСО₃

Са(ОН)₂ + 2СО₂ ↔ СаНСО₃.

Воды, в которых имеется избыточное (над равновесным) содержание гидрокарбонатов, то есть повышенная щелочность, называются нестабильными. Для оценки агрессивных свойств воды сопоставляют количество свободной угольной кислоты, установленное анализом, с вычисленным по формуле:

.

Определение агрессивной углекислоты проводится сопоставлением щелочности воды до и после контакта ее с карбонатом кальция,

СО₂ + Н₂О + СаСО₃ → Са(НСО₃)₂

                                  ^{повышает щелочность}

Стабильность воды оценивается по методу Ланжелье.

рН_s = pK₂ – pПР _СаСО  - lg [Ca²⁺] – lg Щ₀ + 2,5 +7,6

рН_s  - рН равновесного насыщения воды карбонатом кальция (то есть величина рН соответствующая равновесию свободной углекислоты с другими ее формами),

рК₂ - отрицательный log. константы диссоциации 2 ступени угольной кислоты,

pПР _СаСО   отрицательный log. ПР _СаСО   

I – ионная сила раствора.

Характер свойств воды производится по «индексу насыщения» -Щ, который представляет собой разность между рН исследуемой воды и рН_s:

   Щ = рН _иссл. - рН_s

   Если Щ – положительное (+), то рН _иссл. > рН_s. При этом вода будет нестабильной.

Если Щ – отрицательно (-), то рН _иссл. < рН_s , то есть вода имеет повышенную кислотность и является агрессивной.

Если рН _иссл. = рН_s , Щ =0, то вода стабильная. Стабильность характеризуется также показателем стабильности С (основным С_осн и вспомогательным С_всп).

                                     С_осн = Щ_иссл / Щ _нас ,

где Щ_иссл – исследуемой воды, Щ _нас насыщенной карбонатом кальция.

                                   С_всп =рН_иссл / рН_нас

Если С=1, то есть рН_иссл =рН_нас, то вода стабильна, при С<1 вода агрессивная.

Стабилизация воды, содержащей агрессивную углекислоту, производится веществами, вызывающими повышенную щелочность (известь, гидроксид и карбонат натрия).

NaOH + CO₂ = NaHCO₃

Ca(OH)₂ + 2CO₂ = Ca(HCO₃)₂

Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O  = 2NaHCO₃

 Обработка нестабильных вод заключается в обработке их кислотами.

NaHCO₃  + HCl = NaCl + H₂O + CO₂

На некоторых очистных сооружениях используются мраморно – песчаные фильтры, которые позволяют получить не только осветленную, но и стабильную воду.

ПРИРОДНЫЕ ВОДЫ