Активная реакция среды в водоемах
В составе воды как минерала всегда присутствуют водородные ионы, которые возникают при диссоциации: [H2O ⇔ H+ + OH-]. Молекулы воды диссоциированы на ионы в очень небольшой своей части. Однако роль ионов водорода в природных водоемах весьма велика, поскольку они определяют количественное равновесие химических систем (в частности, углекислотно-кальциевой). Концентрацию ионов водорода, и гидроксиля в связи с малой Шеличиной принято выражать в виде их десятичных логарифмов, взятых с обратным знаком:
pH = - lg [Н+] рОН = — lg [ОН-].
В условиях нейтральной среды [Н+]=10-7 рН, откуда pН = 7. В щелочной среде рН>7, в кислой — рН<7. На величину активной реакции среды оказывает влияние температура, так как от нее зависит степень диссоциации. Ионное Произведение воды [Н-] · [ОН-]= 10-14 г-моль/л при температype 22°. С понижением температуры воды Концентрация водородных ионов несколько снижается.
По Зёрнову (1949), все пресноводные бассейны можно объединить в две основные группы: воды нейтрально-щелочные с рН>6 и воды торфяные с рН<5. В природе могут встречаться и отклонения от этих двух групп как в сторону более щелочных вод с рН = 7,8 — 8,8 (9,5 — 10,5) — особенно в период массового развития фитопланктона или в зарослях низшей водной растительности при значительном освещении — так и в сторону кислых с рН = 4,0 — 4,5 (3,4 — 3,8) п сфагновых озерах и болотах, богатых гуминовыми веществами. Подкисление болотных вод связано с деятельностью фагнума, способного избирательно адсорбировать различаются катионы солей, замещая их водородными ионами и повышая рН примерно до 4, когда наступает ионное равновесие и процесс обмена приостанавливается. Ионообменной способностью обладают и другие органические торфообразующие материалы растительной природы (хвощи, осоки и др.), аиако сфагновые мхи — в большей степени.
Активная реакция среды может иметь значительные суточные и сезонные колебания, особенно в евтрофных водоемах, что связано с высокой активностью биологических и физико-химических процессов в богатых жизнью водах. Побуженная водная растительность растет в щелочных водах и избегает кислых, она находится в более тесной зависимости от химического состава илов и состава газов воды, чем растения с плавающими и надводными листьями. В кислых дистрофных водоёмах погруженная водная растительность развивается слабо., уступая место сфагновым мхам.
Активная реакция среды, как и растворенные газы, определяет наличие тех или иных форм соединений, биогенных элементов в водоемах и степень их доступности для использования высшей водной растительностью и фитопланктоном.
Растворенные газы
Поступление газов в водоем происходит как из атмосферы, так и в результате жизнедеятельности и разложения водных организмов. Растения и животные потребляют газы в процессе жизни, часть их может выделяться в атмосферу (звазия). Так, при пересыщении воды кислородом в процессе фотосинтеза этот газ выделяется из воды. Газовый режим тесно связан с термическими и биологическими условиями водоема. Из атмосферы поверхностью воды абсорбируется кислород, азот и углекислый газ в количествах, определяемых температурой и давлением воздуха.
Кислород — один из основных факторов, обеспечивающих наличие жизни в водоеме. Содержание в воде растворенного кислорода обусловлено ветровыми волнениями, конвекционными течениями и процессом фотосинтеза. Роль диффузии кислорода из атмосферы в спокойных водах имеет весьма малое значение. Кислород отличается умеренной растворимостью в воде, которая зависит от ряда факторов, прежде всего от температуры и солености (таблица ниже).
Таблица. Зависимость растворимости кислорода в воде (мл/л) от температуры и солености.
Температура | Соленость, % | ||||||||
0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | |
0 | 10,29 | 9,97 | 9,65 | 9,33 | 9,01 | 8,68 | 8,36 | 8,03 | 7,71 |
5 | 9,03 | 8,75 | 8,48 | 8,21 | 7,94 | 7,67 | 7,40 | 7,13 | 6,86 |
10 | 8,02 | 7,79 | 7,56 | 7,33 | 7,10 | 6,87 | 6,63 | 6,40 | 6,17 |
15 | 7,22 | 7,03 | 6,83 | 6,63 | 6,43 | 6,23 | 6,04 | 5,84 | 5,64 |
20 | 6,57 | 6,40 | 6,22 | 6,05 | 5,88 | 5,70 | 5,53 | 5,35 | 5,18 |
25 | 6,04 | 5,88 | 5,72 | 5,56 | 5,40 | 5,24 | 5,08 | 4,93 | 4,77 |
30 | 5,57 | 5,42 | 5,27 | 5,12 | 4,96 | 4,80 | 4,65 | 4,50 | 4,35 |
В случае необходимости пересчета объемных единиц растворенного кислорода в весовые следует иметь в виду, что при 0° и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. 1 мл О2 = -1,429 мг 02; 1 мг О2 = 0,70 мл О2 и 1 ммоль О2 =16мг О2 = -11,2 мл О2.
Абсолютное выражение содержания растворенного кислорода еще не показывает полностью, много или мало кислорода в воде при данных условиях. Для оценки относительного содержания О2 применяется расчет процента насыщения воды кислородом по отношению к нормальной величине ра растворимости при данной температуре и давлении:
где:
а — количество О2, определенное в водоеме,
А — нормальное количество О2 при данной температуре и давлении 760 мм рт. ст. (Таблица ниже),
Р — атмосферное давление
Таблица. Растворимость кислорода в дистиллированной воде при 760 мм давления сухой атмосферы и парциальном давлении кислорода, равном 20,90% (мг/л).
Температура, С | 0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0.5 | 0,6 | 0,7 | 6,8 | 0,9 |
0 | 14,70 | 14,66 | 14,62 | 14,58 | 14,54 | 14,50 | 14,46 | 14,42 | 14,38 | 14,34 |
1 | 14,30 | 14,26 | 14,23 | 14,19 | 14,15 | 14,11 | 14,07 | 14,03 | 14,00 | 13,96 |
2 | 13,92 | 13,88 | 13,85 | 13,81 | 13,78 | 13,74 | 13,70 | 13,67 | 13,63 | 13,60 |
3 | 13,56 | 13,53 | 13,49 | 13,46 | 13,42 | 13,39 | 13,36 | 13,32 | 13,29 | 13,25 |
4 | 13,22 | 13,19 | 13,15 | 13,12 | 13,09 | 13,05 | 13,02 | 12,99 | 12,96 | 12,92 |
5 | 12,89 | 12,86 | 12,83 | 12,80 | 12,77 | 12,73 | 12,70 | 12,67 | 12,64 | 12,51 |
6 | 12,58 | 12,56 | 12,52 | 12,49 | 12,46 | 12,43 | 12,41 | 12,38 | 12,35 | 12,32 |
7 | 12,29 | 12,26 | 12,23 | 12,20 | 12,17 | 12,14 | 12,12 | 12,09 | 12,06 | 12,03 |
8 | 12,00 | 11,97 | 11,95 | 11,92 | 11,89 | 11,86 | 11,84 | 11,81 | 11,78 | 11,76 |
9 | 11,73 | 11,70 | 11,68 | 11,65 | 11,63 | 11,60 | 11,57 | 11,55 | 11,52 | 11,50 |
10 | 11,47 | 11,45 | 11,42 | 11,40 | 11,37 | 11,35 | 11,33 | 11,30 | 11,28 | 11,25 |
11 | 11,23 | 11,21 | П,18 | 11,16 | 11,13 | 11,11 | 11,09 | 11,06 | 11,04 | 11,01 |
12 | 10,99 | 10,97 | 10,94 | 10,92 | 10,90 | 10,87 | 10,85 | 10,83 | 10,81 | 10,78 |
13 | 10,76 | 10,74 | 10,72 | 10,69 | 10,67 | 10,65 | 10,63 | 10,61 | 10,58 | 10,56 |
14 | 10,54 | 10,52 | 10,50 | 10,48 | 10,46 | 10,43 | 10,41 | 10,39 | 10,37 | 10,35 |
15 | 10,33 | 10,31 | 10,29 | 10,27 | 10,25 | 10,23 | 10,21 | 10,19 | 10,17 | 10,15 |
16 | 10,13 | 10,11 | 10,09 | 10,07 | 10,05 | 10,03 | 10,01 | 9,99 | 9,97 | 9,95 |
17 | 9,93 | 9,91 | 9,89 | 9,87 | 9,85 | 9,83 | 9,82 | 9,80 | 9,78 | 9,76 |
18 | 9,74 | 9,72 | 9,70 | 9,69 | 9,67 | 9,65 | 9,63 | 9,61 | 9,60 | 9,58 |
19 | 9,56 | 9,54 | 9,53 | 9,51 | 9,49 | 9,47 | 9,46 | 9,44 | 9,42 | 9,41 |
20 | 9,39 | 9,37 | 9,36 | 9,34 | 9,33 | 9,31 | 9,29 | 9,28 | 9,26 | 9,25 |
21 | 9,23 | 9,21 | 9,19 | 9,18 | 9,16 | 9,14 | 9,13 | 9,11 | 9,09 | 9,08 |
22 | 9,06 | 9,04 | 9,03 | 9,02 | 9,00 | 8,98 | 8,97 | 8,95 | 8,94 | 8,02 |
23 | 8,91 | 8,89 | 8,88 | 8,87 | 8,85 | 8,83 | 8,82 | 8,80 | 8,79 | 8,77 |
24 | 8,76 | 8,75 | 8,73 | 8,72 | 8,70 | 8,69 | 8,68 | 8,66 | 8,65 | 8, 53 |
25 | 8,62 | 8,61 | 8,59 | 8,58 | 8,56 | 8,55 | 8,54 | 8,52 | 8,51 | 8, 49 |
26 | 8,48 | 8,47 | 8,45 | 8,44 | 8,43 | 8,41 | 8,40 | 8,39 | 8,38 | 8, 36 |
27 | 8,35 | 8,34 | 8,32 | 8,31 | 8,30 | 8,28 | 8,27 | 8,26 | 8,25 | 8,23 |
28 | 8,22 | 8,21 | 8,20 | 8,18 | 8,17 | 8,16 | 8,15 | 8,14 | 8,12 | 8,11 |
29 | 8,10 | 8,09 | 8,08 | 8,06 | 8,05 | 8,04 | 8,03 | 8,02 | 8,00 | 7,99 |
30 | 7,98 | — | — | —- | — | — | — | — | — | — |
Поступление кислорода в водоем ограничивается верхним фотическим слоем.
Потребление кислорода на дыхание и окислительные процессы проходит во всей толще воды, поэтому в водоемах с интенсивными окислительными процессами дефицит кислорода бывает весьма значителен, а в придонных слоях, особенно в период летней стагнации и зимнего покоя, кислород часто полностью потребляется. В зоне фотосинтеза в дневные часы вода пересыщается кислородом, в темное время суток он расходуется на дыхание.
Содержание кислорода в воде на единицу объема в 30 - 35 раз меньше, чем в воздухе. Если в воздухе содержание кислорода — достаточно постоянная величина, то в воде его содержание колеблется.