pH большинства природных вод близок к нейтральной (6,8—7,3). Постоянство pH природных вод обеспечивается наличием в ней буферных смесей. Изменение значения pH свидетельствует о загрязнении воды продуктами распада органических соединений, стоками химических заводов и других.

Хлорноватистая кислота очень слабая, и ее диссоциация зависит от активной реакции среды. 

Ферменты разрушаются в сильно кислых и сильно щелочных растворах и устойчивы только в определенных границах изменения активной реакции среды. В этих границах скорость катализируемой ферментом реакции различна при различных концентрациях ионов водорода [Н⁺], причем, только при определенной [Н⁺] наблюдается наибольшая скорость реакции. Такая оптимальная концентрация ионов водорода отвечает наибольшей активности фермента. Оптимальная [Н⁺] не всегда одинакова для различных препаратов одного и того же фермента и изменяется иногда в зависимости от степени чистоты фермента. Кроме того, оптимальные концентрации ионов водорода двух ферментативных реакций с различными субстратами, но катализируемых одним и тем же ферментом, могут быть несколько отличными.

Влияние активной реакции среды. Каждый микроорганизм может жить лишь при определенной реакции среды. Влияние pH среды на активность микроорганизмов обусловлено взаимодействием ионов водорода с ферментами, находящимися в цитоплазматической мембране и в клеточной стенке. Изменение концентрации водородных ионов во внешней среде не сказывается на концентрации их в цитоплазме, так как цитоплазматическая мембрана непроницаема для ионов водорода и гидроксила.

Кислотность среды оценивают рН-метрией. Один из способов определения рН основан на способности некоторых веществ, называемых индикаторами, изменять свою окраску в зависимости от рН среды. Каждый индикатор характеризуется определенным интервалом перехода окраски. Так, фенолфталеин меняет свою окраску от бесцветной до красной в пределах рН 8,2-10,0, а метилоранж – в пределах 3,1-4,4.

Методы определения рН среды, основанные на изменении окраски индикаторов, называют колориметрическими. В настоящее время чаще всего используют универсальные индикаторы. Это смесь обычных индикаторов, изменяющая окраску в пределах рН от 2,0 до 10.

При определении рН раствора универсальным индикатором каплю индикатора вносят в исследуемый раствор. Появившуюся окраску сравнивают с прилагаемым к индикатору спектром цветов, соответствующих определенным значениям рН. Точность измерения pН среды колориметрическим методом ± 0,1. В качестве индикатора может служить и бумага, пропитанная индикатором (бумажные индикаторы).

Другим более точным методом определения рН является электрометрический метод, для определения концентраций водородных ионов в растворе электрометрическим методом используются гальванические элементы, составленные из двух электродов – электрода сравнения с устойчивым и известным потенциалом и индикаторного (электрода измерения), потенциал которого зависит от концентрации ионов Н⁺ в растворе. В качестве электродов сравнения часто применяют водородный, хингидронный, сурьмяный и стеклянный электроды. Стеклянный электрод хорошо работает в агрессивных средах, потенциал его быстро устанавливается.

Электродвижущая сила гальванического элемента может измеряться либо включением в цепь вольтметра, либо компенсационным методом. На практике пользуются только вторым из указанных методов. Сущность его состоит в том, что э.д.с. исследуемого гальванического элемента уравновешивается разностью потенциалов, которая получается на части реохорда компенсационной установки, питаемой двухвольтовым аккумулятором. Оба элемента присоединяются друг к другу одноименными полюсами.

Рисунок 1 – Шкала показателей водородного показателя

В природных водоемах часть молекул воды (а также и других веществ) находится в состоянии диссоциации, т.е. в виде положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженных ионов.

Скорости диссоциации и образования молекул воды равны, поэтому концентрация ионов водорода и гидроксила в воде является постоянной величиной — константой равновесия воды, которая равна 10¹⁴ моль²/кг2. В чистой воде концентрации Н⁺и ОН^- равны, поэтому концентрация каждого иона равна 10⁷ моль/кг. Если в растворе количество ионов водорода больше, чем ионов гидроксила, то раствор кислый; при избытке ионов гидроксила раствор становится щелочным. Таким образом, концентрация каждого из ионов — водорода и гидроксила — является мерой кислотности или щелочности раствора. Концентрация водородных ионов или активная реакция среды, выражается показателем pH. Он используется для характеристики кислотности и щелочности раствора. Концентрацию этих ионов в связи с малой величиной принято обозначать в виде их логарифмов, взятых с обратным знаком. Если раствор нейтральный, то концентрация ионов водорода равна 10⁷ моль/кг и pH - (-lg10^-7 моль/кг) 7. В щелочной среде pH > 7, в кислой pH < 7.

В природных водоемах активная реакция среды редко бывает нейтральной и подвержена значительным колебаниям. Это связано с тем, что в среде находятся и другие вещества, способные распадаться на ионы, нарушающие равновесие между ионами Н⁺ и ОН^-. Таким образом, активная реакция характеризует состояние веществ в растворе.

Все пресноводные бассейны можно объединить в две основные группы: воды нейтрально-щелочные с pH > 6 и воды торфяные с pH < 5. В природе встречаются и отклонения от этих двух групп. В период массового развития фитопланктона и в зарослях высшей водной растительности активная реакция среды смещается в щелочную сторону с pH 7,8 - 8,8 и даже 9,5 - 10,5. В сфагновых озерах и болотах, богатых гуминовыми веществами, pH 4,0 - 4,5 или 3,4 - 3,8.

В природных водоемах величина pH зависит от многих физикохимических и биологических факторов, из которых наибольшее значение имеет наличие в среде углекислоты и углекислых солей - карбонатов и бикарбонатов. Эти вещества в основном регулируют pH среды как в морских, так и в пресных водоемах. При растворении СO₂ в воде образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием ионов Н+ и HClO и способствует, таким образом, подкислению воды. Углекислые соли находятся в водоемах в виде карбонатов и бикарбонатов. В растворах эти соли диссоциируют с образованием гидроксильных ионов, в результате чего происходит подщелачивание воды.

На изменение величины pH большое влияние оказывают происходящие в водоемах биологические процессы. Дыхание гидро- бионтов, разложение органического вещества, сопровождающиеся выделением СO₂, повышают кислотность воды. Потребление СO₂ растениями при фотосинтезе, наоборот, подщелачивает среду. Летом при интенсивном развитии фитопланктона и прибрежных водных растений в поверхностных слоях воды значения pH повышаются до 9 - 10.

Сильное подщелачивание воды во время развития растений связано не только с тем, что они потребляют свободную углекислоту, но и с тем, что в этот период в воде накапливаются карбонаты: растения отщепляют углекислоту от бикарбонатов, переводя их тем самым в карбонаты [1].

В морских водоемах активная реакция среды слабощелочная. Она практически постоянна и колеблется лишь в пределах от 8,0 до 8,3. Это связано с сильной забуференностью среды и относительно слабым развитием фитопланктона.

В пресных водоемах активная реакция среды испытывает сезонные колебания. Зимой в результате замедления жизнедеятельности организмов pH составляет 7,0 - 7,5, летом она возрастает, а в периоды цветения водорослей и активной вегетации водных растений достигает 9 - 10. Наблюдаются и суточные изменения величины pH, в основном летом, что связано с высокой активностью биологических процессов в дневное время. Изменяется значение pH и с глубиной: в придонных слоях, где отсутствует фотосинтез, кислотность воды повышается

В водоемах кислого типа pH среды более постоянен и меньше зависит от жизнедеятельности организмов, так как их население очень бедно. Подкисление болотных вод связано также с деятельностью мха сфагнума, способного избирательно адсорбировать различные катионы солей, замещая их водородными ионами. За счет этого pH понижается до 4; когда наступает ионное равновесие, процесс обмена приостанавливается

Активная реакция среды оказывает влияние на жизнедеятельность водных организмов. Это влияние может быть как прямым, так и косвенным. Косвенное влияние проявляется через изменение содержания в воде различных соединений макро- и микроэлементов, растворимость которых (а соответственно и доступность для водных организмов) во многом зависит от величины pH. Так, ряд водорослей не может существовать при слишком высоких значениях pH из-за низкой растворимости многих микроэлементов.

Активная реакция среды определяет наличие в среде биогенных элементов и степень их доступности для прибрежно-водной растительности и фитопланктона. Это связано с тем, что многие элементы в щелочной среде переходят в нерастворимую форму, тогда как в кислой среде растворимость их и, следовательно, доступность для растений повышается [2].

Активная реакция среды имеет большое экологическое значение. Изменение pH среды влияет на выживаемость организмов, интенсивность питания, рост, уровень газообмена и другие жизненные процессы. Величина pH оказывает влияние и на водную растительность, в первую очередь погруженную. Наиболее благоприятные условия для развития прибрежно-водных растений — это слабощелочные воды; в кислых водоемах они растут значительно хуже. Погруженная водная растительность в большей степени, чем растения с плавающими и надводными листьями, зависит от величины pH, состава и концентрации газов, химического состава ионов.

Список литературы:

Массообменные процессы. Паранук А.А., Кунина П.С., Сааведра Х.Х.А., Хрисониди В.А., Багаманова А.И. Научные труды SWorld. 2016. Т. 1. № 2 (43). С. 71-76.

Электрокоагуляционная очистка воды от коллоидных ПАВ. Боровская Л.В., Доценко С.П. Современные наукоемкие технологии. 2010. № 4. С. 76-78.