того, угольная кислота может содержаться в карбонат-ионах (СО32-), образующихся при диссоциации угольной кислоты по 2-й ступени: НСО3- <->Н + СО32-. Карбонат-ионы содержатся только в щелочной среде (при рН > 8,35). Но в присутствии ионов кальция содержание СО32- бывает небольшим вследствие малой растворимости карбоната кальция (СаСО3). А при наличии в растворе свободной угольной кислоты растворимость карбоната кальция возрастает в результате образования гидрокарбонатов, как об этом и было сказано чуточку выше.
Одновременно все формы угольной кислоты в растворе присутствовать не могут, наиболее вероятными и устойчивыми системами являются СО2 + НСО3- и НСО3- + СО32-. А какая из этих систем будет преобладать, зависит только от концентрации ионов водорода в растворе. Но на концентрацию ионов водорода может оказывать существенное влияние концентрация ионов кальция в растворе.
Основная карбонатная система природных вод представляет собой систему из свободной угольной кислоты и гидрокарбонат-ионов. От соотношения этих форм зависит рН природных вод. Например, при низких значениях рН (<4,2) в воде присутствует практически только свободная угольная кислота, а повышение рН (от 4,2 до 8,35) происходит при снижении концентрации свободной угольной кислоты в растворе и одновременном повышении гидрокарбонатов. При рН больше 8,35 в воде практически отсутствует свободная угольная кислота и остаются только гидрокарбонат-ионы. Но зависимость рН от соотношения различных форм угольной кислоты в растворе можно рассматривать и по-иному – как зависимость содержания различных форм угольной кислоты от рН раствора. Такая зависимость хорошо видна на рисунке 2.
Угольная кислота в форме карбонат-ионов называется связанной. Принято считать, что гидрокарбонаты наполовину состоят из связанной и свободной угольной кислоты, так как при разложении они дают карбонаты (связанную) и свободную угольную кислоту:
2НСО3 – ->СО2 + СО3 2- + Н2О.
Если в водном растворе одновременно присутствуют свободная угольная кислота и гидрокарбонаты, то в состоянии равновесия определенному содержанию гидрокарбонат-ионов соответствует вполне определенное количество свободной угольной кислоты, которую называют равновесной угольной кислотой.
Если содержание свободной угольной кислоты в растворе будет меньше равновесного с гидрокарбонатами:
Са 2+ + 2НСО3 – < СО2 + СаСО3 + Н2О (2.1),
то (по принципу Ле Шателье) равновесие смещается вправо, гидрокарбонат-ионы разрушаются с образованием свободной угольной кислоты и карбонат-ионов. Но избыток карбонат-ионов легко взаимодействует с ионами кальция (Са2+), содержащимися в растворе, с образованием труднорастворимого карбоната кальция (СаСО3).
Если же свободной угольной кислоты в водном растворе будет больше, чем необходимо для состояния равновесия:
Са 2+ + 2НСО3 – <СО2 + СаСО3 + Н2О (2.2),
то
