Ugrás a tartalomhoz

Hidrobiológia

Csizmarik Gábor (2011)

Szent István Egyetem

5. fejezet - A természetes vizek kémiai tulajdonságai

5. fejezet - A természetes vizek kémiai tulajdonságai

Bevezetés

Ebben a tanulási egységben a víz, mint oldószer funkcióit mutatjuk be. A víz poláris molekula, így elsősorban a poláris molekulák oldódnak jól benne, ami a különböző szervetlen sókra jellemző. A szerves vegyületek egy része is jól oldódik, gondoljunk a humin vegyületekre, de ezen kívül különböző gázok is megtalálhatók oldott formában a vízben, melyek egy része fizikai, más részük kémiai úton oldódik.

Követelmények

  • Ismerje a halobitás fogalmát és vizek sótartalmát okozó jellemző kationokat és anionokat!

  • Tudja a gázok oldhatóságának jellemző fizikai és kémiai törvényszerűségeit!

  • Tanulja meg a tavak vertikális oxigénprofiljának kialakulását befolyásoló tényezőket!

  • Tudja a széndioxid oldódásának pH-tól való függését!

A víz, mint oldószer

A víz kiváló oldószer, különösen egyszeresen töltött ionokból álló ionrácsokat és nitrogén-, illetve oxigénatomot tartalmazó szerves anyagokat old jól. Ezen tulajdonságáért dipólus szerkezete és a kialakuló hidrátburok felelős.

Természetes vizeink valójában olyan híg oldatok, melyekben a sók ionjaikra disszociáltak. A vizek tartalmaznak ezenkívül oldhatatlan szilárd részecskéket, és fizikailag oldott gázokat is. Ily módon tehát a természetes vizek komplex polidiszperz rendszerek.

A vízben található oldott szervetlen anyagok nagyobbik része a vízgyűjtő területről bemosódással kerül a folyóvizekbe, tavakba. Az alapkőzet jellege (pl. szilikátos, meszes, „organikus”) jelentősen befolyásolja az adott víz ionösszetételét, oldott sótartalmát.

Szilikátos alapkőzeten kisebb a vizek összes só mennyisége, kevés Ca2+, Mg2+, HCO3- ion található.

Meszes alapkőzeten nagyobb a vizek összes sótartalma, sok Ca2+, Mg2+, HCO3- ion található.

Organikus alapkőzeten (pl. tőzeges területek) kisebb az oldott sótartalom, sok huminanyag található.

A vizek sótartalma fontos vízminőségi paraméter, amit összefoglalóan halobitásnak nevezünk.

A 4. táblázatban eltérő természetes vizek sótartalma, az 5. táblázatban hazai vizeink sótartalma látható.

4. táblázat. Különböző természetes vizek sótartalma (mg/l)

5. táblázat. Magyarországi természetes vizek sótartalma (mg/l)

A vizekben található ionok túlnyomó hányada Ca2+, Mg2+, K+, Na+ kationok, CO32-, HCO3-, SO42-, Cl- anionok. Ezek aránya jellemző a vizekre, szemléletes ábrázolásuk a Maucha-féle csillagdiagram segítségével történik (26. ábra). A diagram segítségével a nyolc főion egymáshoz viszonyított megoszlása szemléletesen megjeleníthető.

26. ábra. A Maucha-féle csillagdiagram. (a körcikk széle az ionok elméleti egyenlő koncentrációját jelzi)

A természetes vizek különböző oldott gázokat tartalmaznak, melyek fizikailag oldódnak a Henry törvény szerint:

ahol: Cs: a gáz telítési koncentrációja, Ks: az oldhatósági koefficiens (hőmérsékletfüggő), p: a gáz nyomása

Gázkeverék esetén a gázok a parciális nyomás szerint oldódnak, egymás oldhatóságát nem befolyásolják.

Az oldhatóság függ:

  • a hőmérséklettől

  • a nyomástól (légköri nyomás + vízoszlop nyomása)

Abszolút telítettségnek nevezzük azt a gázmennyiséget, amelyet a víztömeg az adott mélységben az adott nyomáson és hőmérsékleten tartalmaz. Túltelítettség fordul elő, mikor nagyobb nyomáson több gáz oldódik, mint normál nyomáson:

ahol: pz: a gáz nyomása z mélységben (atm), p0: a gáz nyomása a felszínen (atm), z: a mélység (m)

Az oldott oxigén létfontosságú a természetes vizekben.

Oldódása fizikailag történik a Henry törvénynek megfelelően, ezért a víztestben az oxigénnel való ellátottság korlátozott.

A szalinitás növekedése csökkenti az oxigén oldhatóságát, ezért a tengervízben az oldott oxigén oldhatósága kb. 20%-kal alacsonyabb, mint édesvízben.

Az oxigén két módon jut be a víztestbe:

  • az atmoszférából (diffúzió, keveredés);

  • oxigéntermelő organizmusok (fotoszintézis) közreműködésével.

6CO2 + 6H2O ↔ C6H12O6 + 6O2

A vizek oxigéntartalmát csökkenti:

  • a kémiai oxidációs, lebomlási folyamatok (dekompozíció);

  • az élőlények légzése.

C6H12O6 + 6O2 ↔ 6CO2 + 6H2O

A víztest oldott oxigéntartalma tehát a két folyamat eredője.

Ha folyamatosan mérjük az oldott oxigénkoncentrációkat, szabályos napi ritmust tapasztalunk. Az oxigénkoncentrációk változása sokkal nagyobb egy gazdag termőképességű, sok élőlényt tartalmazó ún. eutróf tóban, mint egy alacsony termőképességű, oligotróf vízben (27. ábra).

27. ábra. Az oldott oxigén változása egy eutróf és egy oligotróf vízben

A víztest különböző mélységeiben mért oxigénkoncentrációk ábrázolásaival megkapjuk egy tó vertikális oxigénprofilját.

Az ortográd görbére jellemző, hogy az oxigén többé-kevésbé egyenletes eloszlást mutat a felszíntől a fenékig (28. ábra). Ez az eloszlás jellemző az oligotróf tavakra.

28. ábra. Ortográd oxigénprofil

A klinográd lefutásra jellemző, hogy az alsóbb rétegekben oxigén csökkenése következik be. Ennek oka a magas elsődleges produkció a fotikus rétegben. A nagy mennyiségű elpusztult szerves anyag nagy mennyiségű oxigént von el a hipolimnikus vizekből. Ez a profil jellemző a rétegzett eutróf tavakra (29. ábra).

29. ábra. Klinográd oxigénprofil

Számos tóban szokatlan oxigén-eloszlást figyelhetünk meg. A vertikális profil csúcsot mutat a termoklin régióban, ezt "metalimnetikus oxigén-maximumnak" nevezi számos szerző. Ez pozitív heterográd eloszlás. A csúcs oka a magas gáztelítettség lehet, ami egyes esetekben 400% is lehet. Számos tóban az Oscillatoria agardhii kékalga sűrű rétege a felelős a szokatlan oxigén-koncentrációért, ami egész nyáron kitart.

A negatív heterográd eloszlás esetében a metalimnionban oxigén-minimum figyelhető meg. Ez előfordulhat, ha jelentős számban folytatnak légzést nem mozgó állatok (30. ábra.).

30. ábra. Heterográd típusú oxigénprofilok

Az oxigénprofilok szezonálisan is változhatnak a mérsékelt övi rétegzett tavakban. A 31. ábra jól mutatja az oligotróf és eutróf tavak közti jelentős különbségeket.

31. ábra. Az oldott oxigén és a hőmérséklet szezonális változása

A szén-dioxid kémiailag oldódik a vízben, ezért mennyisége nem írható le a Henry törvénnyel. Az oldódás folyamata a következő:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

A keletkezett szénsav két lépésben disszociálhat az alábbiak szerint egyensúlyi kémiai reakciókban:

H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

HCO3- ↔ H+ + CO32-

Az egyes szervetlen szénformák aránya jelentősen függ a víz kation tartalmától és a pH-tól (32. ábra).

32. ábra. Az egyes szervetlen szénformák megoszlása a pH függvényében

Nyílt rendszerben (amilyenek természetes vizeink is) tehát a CO2 oldódása egy széndioxid – szénsav – hirdogénkarbonát – karbonát egyensúlyi rendszert hoz létre. Az egyes szénformák mennyiségére jelentős hatással van az élővilág (33. ábra).

33. ábra. Az egyes szénformák egyensúlya a víztestben

Kalciumban gazdag vizek esetében az intenzív fotoszintézis hatására csökken a CO2 koncentrációja, a pH nőni kezd, ezért növekszik a karbonát ionok mennyisége is. pH 8,3 fölött azonban a CaCO3 kicsapódik, ezért stabilizálja a pH-t. Na+-ban gazdag vizekben azonban más a helyzet, mivel a Na2CO3 (szóda) oldhatósága magasabb pH-n is megmarad. Ha a vízi élővilág a HCO3- ionokat is képes szénforrásként hasznosítani (bár ez energiaigényes folyamat), a pH elérheti a 11 értéket is. A 34. ábrán jól látható a fotoszintézis hatására bekövetkező CO2 csökkenés és a pH növekedésének kapcsolata. Ez napi ritmust mutat, mivel az esti órákban a légzés CO2-ot szabadít fel.

34. ábra. A CO2 és a pH változása egy hegyi patakban, melyben intenzív a fotoszintézis

Összefoglalás

A vizekben található ionok túlnyomó hányada Ca2+, Mg2+, K+, Na+ kationok, CO32-, HCO3-, SO42-, Cl- anionok. Ezek aránya jellemző a vizekre, szemléletes ábrázolásuk a Maucha-féle csillagdiagram segítségével történik.

A természetes vizek különböző oldott gázokat tartalmaznak, melyek a Henry törvény szerint fizikailag oldódnak. Gázkeverék esetén a gázok a parciális nyomás szerint oldódnak, egymás oldhatóságát nem befolyásolják. Az oldhatóság függ:

  • hőmérséklettől,

  • nyomástól (légköri nyomás + vízoszlop nyomása).

Az oldott oxigén létfontosságú a természetes vizekben. Az oxigén két módon jut be a víztestbe:

  • atmoszférából (diffúzió, keveredés)

  • oxigéntermelő organizmusok (fotoszintézis) közreműködésével.

Az oxigénprofilok szezonálisan is változhatnak a mérsékelt övi rétegzett tavakban.

A szén-dioxid kémiailag oldódik a vízben, ezért mennyisége nem írható le a Henry törvénnyel. Az egyes szervetlen szénformák aránya jelentősen függ a víz kation tartalmától és a pH-tól.

Önellenőrző kérdések, feladatok

A következő állítások közül melyek igazak?

  1. A vizek sótartalma fontos vízminőségi paraméter, amit összefoglalóan halobitásnak nevezünk.

  2. 2. Abszolút telítettségnek nevezzük azt a gázmennyiséget, amelyet a víztömeg az adott mélységben az adott nyomáson és hőmérsékleten tartalmaz.

  3. A szalinitás növekedése növeli az oxigén oldhatóságát.

  4. Az oldott oxigén változása közel azonos egy eutróf és egy oligotróf vízben.

  5. A széndioxid oldódása a vízben független a pH-tól.

  6. A széndioxid vízben való oldódására érvényes a Henry törvény.