Vattenkemi och buffring

Beskriv kolsyrasystemet och koldioxidtryck.

Kolsyraalkaliniteten igen.

$$\text{CO}_2 (\text{g}) + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3^* \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^- \rightleftharpoons 2\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$

När koldioxidtrycket är högre förskjuts jämvikten åt höger och bildar då alltså fler vätejoner samt vätekarbonatjoner. Obuffrat markvatten blir då naturligt surt, samtidigt som kolsyran är den viktigaste drivkraften för mineralvittring och bildande av kolsyraalkalinitet i mark och ytvatten.

Vad är skillnaden mellan Alkalinitet och acid neautralising capacity?

Alkalinitet (Alk): Definieras som lösningens förmåga att neutralisera syra baserat på kolsyrasystemets oorganiska anjoner:

$$\text{Alk} = [\text{HCO}_3^-] + 2[\text{CO}_3^{2-}] + [\text{OH}^-] - [\text{H}^+]$$

Acid Neutralising Capacity (ANC): ANC utvidgar detta begrepp för att beskriva den totala kemiska buffertkapaciteten i mer komplexa markvatten. Detta mäts via laddningsbalansen mellan starka baskatjoner och starka syraanjoner:

$$\text{ANC} = ([\text{Ca}^{2+}] + [\text{Mg}^{2+}] + [\text{K}^+] + [\text{Na}^+]) - ([\text{SO}_4^{2-}] + [\text{NO}_3^-] + [\text{Cl}^-])$$

Vad är aluminiumupplösning och hur agerar den som en pH-buffert vid lågt pH?

När markens pH blir under 4,5-5 är vittringen av silikater och katjonbyteskapaciteten inte tillräckligt för att konsumera vätejoner. Då används aluminium genom upplösning av aluminiumoxider och hydroxider.

Vad finns det för potentiella risker med aluminiumupplösning?

Även om aluminiumupplösningen buffrar pH, stiger halten av fria aluminiumjoner i markvätskan.

• Toxicitet: Fri inorganic al3+ är starkt giftigt för både växtrötter och vattenlevande organismer, då det skadar rotspetsar och blockerar cellulart upptag av Ca^2+ och fosfor.

• Dämpning via DOM: Om markvätskan innehåller löst organiskt material (DOM, Dissolved Organic Matter), reagerar A^3+ och bildar starka organo-aluminiumkomplex:

Vad händer när mark kalkas med CaCO3? Hur ser reaktionen ut?

Marken neutraliserar vätejoner samtidigt som kalcium frigörs.

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Ca}^{2+} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

De frigjorda Ca2+jonerna ersätter sura joner H+ och Al3+ på markens bytesplatser, vilket återställer basmättnadsgraden.

När är det risk för överkalkning?

Kolsyrans första protolyskonstant Pka1 ligger vid pH 6,35. Om markens pH höjs nära eller över detta värde omvandlas en stor del av kolsyran till vätekarbonat. Vätekarbonat rör sig lätt med perkolerande vatten och drar med sig utbytbara baskatjoner nedåt i markprofilen, vilket leder till utlakning av alkalinitet och näringsämnen ur rotzonen.