Slide 1

Size: px

Start display at page:

Download "Slide 1"

くにひとかみこ
7 years ago
Views:

1 3. 溶解沈殿反応天然水の化学組成大陸地殻表層 (mg kg ) 河川水 (mg kg ) Al Fe Ca Na Mg Andrews et al. (3) An introduction to Environmental Chemistry 天然水の特徴天然水の金属イオンは主に岩石の風化により生じるただし地殻と天然水の元素組成に大差がある天然水の主要金属成分は Ca Na Mg イオンの水分子の反応陽イオン水分子電荷 (z) 小イオン半径 (r) 大電荷 (z) 大イオン半径 (r) 小電荷 (z) 大イオン半径 (r) 小水和イオンをつくる水からOH - を奪い水酸化物水からO を奪いオキシ陰イオン例 :Na Mg Ca Al 3 3H O = Al(OH) 3 3H S(VI) 4H O = SO 4 8H 例 :Fe(III) Al Mn(IV) 例 :S(VI) N(V) 水によく溶ける水に溶けにくい水によく溶ける 3

2 3. とけやすさ沈殿しやすさの尺度溶解度 (solubility) 溶解度積 (solubility products) A a B b であらわされる鉱物の溶解反応式 : A a B b = aa bb 平衡定数 = [ A [ A a a [ B B b b この反応は平衡に達したとき溶存種 A および B の濃度は純粋な固体の濃度はなので溶解度積 ( sp ) によって規定される a b sp = [ A [ B a log sp 対数をとり展開すると b log[ A = log[ B a log a sp 反応が平衡にあるとき濃度 A と B の関係は勾配 -b/a 切片 /a log sp の直線であらわされる log[a b a b a 言い換えると鉱物 A a B b と平衡にある溶液の水質は右直線上にプロットされる log[b 3-

3 5 でのジプサム (CaSO 4.H O) の溶解度溶解反応式 : CaSO 4.H O = Ca SO 4 H O E 質量作用の法則 : sp log[ Ca = [ Ca [ SO4 = log[ SO = [Ca を y 軸 [SO 4 を x 軸に平衡関係を作図せよ対数をとり展開 : ジプサムの生成環境や安定性を予言する 4.36 log[ca - C A B D - log[so 4 以下の水質のなかでジプサムを生成しうる溶液はどれ? 水 A :Ca. mm SO 4. mm 水 B :Ca mm SO 4 mm 平衡水 C :Ca. M SO 4. mm 水 D :Ca. mm SO 4. mm 水 E :Ca. M SO 4. M 3

4 飽和指数イオン活量積 (IAP): 現実のイオン濃度の積 IAP = [ Ca [ SO 現実 4 現実飽和指数 (SI) = log (IAP) log ( sp ) SI = 平衡 SI > SI < log (IAP) log[ca 水 A :Ca. mm SO 4. mm 水 B :Ca mm SO 4 mm.36 水 C :Ca mm SO 4. mm 水 D :Ca. mm SO 4 mm 水 E :Ca. M SO 4. M C A B D - SI log[so 4 平衡平衡 E 3

5 飽和指数の練習問題問題 Aはデンマーク Bはインド Cはエチオピアのある池の水質を示す濃度は mmol/lで与えられる溶液はカルサイトに関してか? か? 飽和指数を計算せよただし CaCO 3 H = Ca HCO - 3 log sp =.7 H CO 3* = HCO 3- H log = HCO 3- = CO 3 H log =.33

6 3. 酸化物やケイ酸塩の溶解沈殿反応地球表層を構成する鉱物のほとんどは酸化物水酸化物およびケイ酸塩鉱物単一の金属からなる酸化物水酸化物およびケイ酸塩鉱物石英 SiO アモルファスシリカSiO ヘマタイトFe O 3 ゲータイトFeOOH アモルファス鉄酸化物( フェリハイドライト )Fe(OH) 3 ギブサイトAlOOH アモルファスアルミニウム水酸化物 Al(OH) 3 つの金属からなる酸化物水酸化物およびケイ酸塩鉱物カオリン鉱物 Al Si O (OH) 4 3 以上の金属からなる酸化物水酸化物およびケイ酸塩鉱物雲母 Al 3 Si 3 O (OH) 明礬 Al 3 (SO 4 ) (OH) 6

7 [ 酸化物やケイ酸塩の溶解沈殿反応式石英アモルファスシリカ SiO H O = H 4 SiO 4 ヘマタイト Fe O 3 6H = Fe 3 3H O ゲータイト FeOOH 3H = Fe 3 H O アモルファス鉄酸化物 Fe(OH) 3 3H = Fe 3 3H O ギブサイト AlOOH 3H = Al 3 H O アモルファスAl 水酸化物 Al(OH) 3 3H = Al 3 3H O カオリン鉱物 Al Si O (OH) 4 6H = Al 3 H 4 SiO 4 H O ほとんどの溶解反応式は H を含む酸化物やケイ酸塩鉱物の溶解沈殿反応はに依存するこれらの鉱物の溶解沈殿平衡は溶液のと金属イオン濃度によって規定される

8 5 での石英の溶解度曲線水溶液中に存在しうる溶存シリカ種 H 4 SiO 4 H 3 SiO 4- H SiO 4 溶存シリカの脱プロトン化の化学反応式 H 4 SiO 4 = H 3 SiO 4- H () H 3 SiO 4- = H SiO 4 H () に伴う溶存シリカ種の変化 [ H3SiO4 [ H 9.9 = = [ H SiO 4 4 [ H SiO4 [ H.7 = [ H3SiO4 = 存在 % H 4 SiO 4 H 3 SiO 4 - H SiO 4 H 4 SiO 4 :9 以下で優勢 H 3 SiO 4- :9 からで優勢 H SiO 4 : 以上で優勢

9 5 での石英の溶解反応 (9 以下 ) SiO ( 石英 ) H O = H 4 SiO 4. 4 (3) sp, 3 = [ H 4SiO4 = log[h 4 SiO 4 =. 5 での石英の溶解反応 (9から) SiO ( 石英 ) H O = H 3 SiO 4- H (4) この反応式は (3) 式 () 式と等しい sp,4 = H SiO [ H [ 3 4 したがって sp,4 = sp,3 = 3.9 log[h 3 SiO 4- = での石英の溶解反応 ( 以上 ) SiO ( 石英 ) H O = H SiO 4 H (5) sp, 5 = [ H SiO4 [ H この反応式は (4) 式 () 式と等しいしたがって sp,5 = sp,4 =.6 log[h 3 SiO 4- =.6 log 全溶存シリカ濃度全溶存シリカ濃度 =[H 4 SiO 4 [H 3 SiO 4- [H SiO 4

10 準安定相の溶解度 SiO ( アモルファスシリカ ) H O = H 4 SiO 4 (6).7 sp, 6 = [ H 4SiO4 = log[h4sio 4 = -.7 SiO ( アモルファスシリカ ) H O = H SiO 4 H (8) sp, 8 = [ H SiO4 [ H sp,8 = sp,7 =.3 log[h 3 SiO 4- =.3 どのような条件下においても準安定相鉱物は安定相鉱物より溶解度が高い SiO ( アモルファスシリカ ) H O = H 3 SiO 4- H (7) sp = H SiO [ H log 全溶存シリカ濃度 -,7 [ 3 4 sp,7 = sp,6 =.6 log[h 3 SiO 4- =.6 最終的に存在する鉱物は安定相であるが一般的にはじめ準安定相が生成し安定相へと相変化する地球表層環境では安定相が生成するにはかなりの時間がかかるため天然水の水質は準安定相との平衡関係により支配されることが多い全溶存シリカ濃度 =[H 4 SiO 4 [H 3 SiO 4- [H SiO 4

11 5 でのアモルファスアルミニウム水酸化物の溶解度曲線 log 全溶存アルミニウム濃度アモルファス水酸化アルミニウムの溶解反応 Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O log 3 sp, Al log =.3 アルミニウム溶存種のプロトン化反応 Al 3 H O = AlOH H log = 5. Al 3 H O = Al(OH) H log 3 =.9 Al 3 3H O = Al(OH) 3 3H = 6.69 Al 3 4H O = Al(OH) 4-4H log 4 =.67

12 Step Al(OH) 3 (am) Al 3 の平衡関係 log 全溶存アルミニウム濃度 - Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O log 3 sp, Al =.3 [ Al [ H O sp, Al 3 = = 3 [ Al( OH) 3( am)[ H 水と固体の濃度はしたがって [ Al [ H 3.3 sp 3 = =, Al 3 log で記述の関数にまとめると log[ Al 3 = 3.3

13 Step Al(OH) 3 (am) AlOH の平衡関係 log 全溶存アルミニウム濃度溶解反応式 Al(OH) 3 (am) H = AlOH H O この式は次の二式の和で示される ) Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O Al 3 H O = AlOH H Al(OH) 3 (am) H = AlOH H O 質量作用の式 [ AlOH = sp, AlOH [ H 5.3 = 3,, = sp AlOH sp Al log で記述の関数にまとめると log[ AlOH = 5.3

14 Step 3 Al(OH) 3 (am) Al(OH) の平衡関係溶解反応式 Al(OH) 3 (am) H = Al(OH) H O この式は次の二式の和で示される Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O ) Al 3 H O = Al(OH) H - Al(OH) 3 (am) H = Al(OH) H O 質量作用の式 [ Al( OH) = sp, Al( OH ) [ H -6. = log 全溶存アルミニウム濃度 sp, Al( OH ) = 3 sp, Al log で記述の関数にまとめると log[ Al( OH) =.

15 Step 4 Al(OH) 3 (am) Al(OH) 3 の平衡関係 log 全溶存アルミニウム濃度溶解反応式 Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O Al(OH) 3 (am) = Al(OH) 3 この式は次の二式の和で示される ) 質量作用の式 Al 3 3H O = Al(OH) 3 3H Al(OH) 3 (am) = Al(OH) 3 = sp, Al( OH ) 3 [ Al( OH) = 3, ( ), 3 = sp Al OH sp Al 3 log で記述の関数にまとめると log[ Al( OH) 3 = 6.39

16 Step 5 Al(OH) 3 (am) Al(OH) 4- の平衡関係 log 全溶存アルミニウム濃度 - 溶解反応式 Al(OH) 3 (am) H O = Al(OH) 4- H この式は次の二式の和で示される Al(OH) 3 (am) 3H = Al 3 3H O ) Al 3 4H O = Al(OH) 4-4H Al(OH) 3 (am) H O = Al(OH) 4- H 質量作用の式 sp, Al( OH ) 4 = [ Al( OH) 4 [ H = 3, ( ), 4 = sp Al OH sp Al 4 logで記述の関数にまとめると log[ Al( OH) 3 =.37

17 Step 6 すべて足す log 全溶存アルミニウム濃度全溶存アルミニウム濃度 =[Al 3 [AlOH [Al(OH) [Al(OH) 3 [Al(OH) 4- log 全溶存アルミニウム濃度 =log([al 3 [AlOH [Al(OH) [Al(OH) 3 [Al(OH) 4- )

18 溶解度に及ぼす錯体生成の影響反応性の高い陰イオンは金属イオンと水溶液中で錯体を生成する天然に存在する高反応性陰イオン :SO 4, PO 4 3-, HCO 3-, F -, 有機酸など log 全溶存アルミニウム濃度 Al 3 F - = AlF log AlF = 7. [F - がつねに mm を保っている水溶液に存在するアモルファスアルミニウム水酸化物の溶解度曲線を記述せよ溶解反応式 Al(OH) 3 (am)3h F - =AlF 3H O 質量作用の式 [ AlF 7.3 sp, AlF = = 3 [ H [ F [F - = を代入まとめると log[ Al( OH) = log 全溶存アルミニウム濃度 =log([al 3 [AlOH [Al(OH) [Al(OH) 3 [Al(OH) 4- [AlF )

19 溶解度に及ぼす成分鉱物生成の影響他のイオンが共存する場合より安定になりうるなら複数成分から鉱物が生成する地表環境で安定な複数成分からなる鉱物 : カオリン鉱物スメクタイトアロフェンなどカオリン鉱物の溶解反応式 : Al Si O (OH) 4 6H =Al 3 H 4 SiO 4 H O log 全溶存アルミニウム濃度 sp [ Al [ H SiO [ H 3 = 6 4 log sp = 7.4 = [H SiO 4 がつねに.mM を保っている水溶液に存在するカオリン鉱物の溶解度曲線を記述せよ [H SiO 4 = を代入まとめると log[ Al 3 = アモルファスアルミニウム水酸化物は 3 log[ Al = 3.3 [H SiO 4 = においてアモルファスアルミニウム水酸化物はカオリン鉱物の準安定相 7.4

コンクリート工学年次論文集 Vol.25

コンクリート工学年次論文集 Vol.25 論文アルカリイオン濃度に基づくコンクリートの炭酸化による ph 遷移に関する解析的研究佐々木崇 * 島袋出 * 大下英吉 * 要旨 : コンクリートの中性化を解析的に予測するにあたり, 従来, 中性化による細孔溶液の ph 遷移は単に水酸化カルシウムと炭酸による反応のみで評価されてきたが, 細孔溶液の ph に影響を及ぼす細孔溶液中のアルカリイオン濃度について検討を加える必要がある本研究では,