3.1.1. Giới thiệu chung
Nước là chất phân ly cực kỳ yếu, sản phẩm phân ly là các ion H+ và OH-: H2O ⇔ H+ + OH-
Theo định luật tác dụng khối lượng, ở trạng thái cân bằng ta có: K=[H+].[OH-]/[H2O] hay K[H2O] = [H+].[OH-]
Trong đó K là hằng số phân ly (hằng số cân bằng nhiệt động). Vì nồng độ phân tử gam của nước được coi là không đổi (có giá trị bằng 1000/18≈55,56 Mol/l) nên K[H2O] cũng không đổi và được gọi là hằng số tích nồng độ ion của nước.
Các quá trình khác nhau có thể làm biến đổi nồng độ ion Hydro và Hydroxyl trong nước, song tích nồng độ của chúng luôn là một hằng số. Nghĩa là, nếu có một quá trình nào đó làm tăng nồng độ H+ (ví dụ sự phân ly của các muối bicacbonat hoà tan trong nước) thì nồng độ OH- phải giảm tương ứng (và ngược lại), sao cho tích nồng độ của chúng không đổị Ở trạng thái cân bằng ứng với nhiệt độ 22oC và áp suất 760 mm Hg, nước sạch trung tính có hằng số phân ly K ≈ 1,8.10-16 nên hằng số nồng độ K.[H2O]≈1.10-14, do đó [H+]=[OH-]≈10-7.
Trong môi trường nước tự nhiên nói chung, ion Hydro tồn tại với nồng độ rất nhỏ (bậc nồng độ vào khoảng 10-5-10-9 ion-gam/l, với nước biển là 10-7-10-9
ion-gam/l). Bởi vậy để tiện lợi cho việc biểu diễn định lưọng nồng độ của nó người ta sử dụng trị số pH:
pH = -lg [H+]
Với cách biểu diễn này thì môi trường nước trung tính ([H+]=[OH-]) có pH=7, axít tính ([H+]>[OH-]) có pH<7 và kiềm tính ([OH-]>[H+]) có pH>7.
Trong nước biển, nồng độ ion Hydro (do đó trị số pH) có liên quan chặt chẽ với hàm lượng khí Cacbonic hoà tan, nói đúng hơn, pH nước biển phụ thuộc trực tiếp vào mối tương quan giữa axít Cacbonic (H2CO3) và các dẫn xuất phân ly của nó:
CO2 + H2O ⇔ H2CO3⇔ H+ + HCO3- HCO3- ⇔ H+ + CO3-2
Theo định luật tác dụng khối lượng, các hằng số phân ly của axit này là: K1 = [H+].[HCO3-]/[H2CO3]
K2 = [H+].[CO3-2]/[HCO3-]
Giá trị K1 đo được tại 22oC và áp suất 760 mmHg là 4.10-7, lớn hơn 4 bậc so với giá trị K2 (4,2.10-11). Bởi vậy sự phân ly của axit Cacbonic chủ yếu là phân ly bậc một. Do đó:
[H+] = K1[H2CO3]/[HCO3-]
Điều này cho thấy nồng độ ion Hydro phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ ion Bicacbonat (HCO3-) theo quan hệ tỷ lệ nghịch. Nhưng trong nước biển, nguồn chính tạo ra ion HCO3- không phải do phân li axit Cacbonic mà do phân li những muối bicacbonát như CăHCO3)2, Mg(HCO3)2... vốn có nhiều trong nước. Bởi vậy, sự hoà tan các muối này sẽ làm tăng nồng độ HCO3-, do đó giảm [H+] tức là tăng pH, ngược lại, sự hoà tan khí CO2 vào nước biển sẽ làm tăng nồng độ axít H2CO3 và do đó tăng [H+] tức là giảm pH.
biển. Nếu nhiệt độ (hoặc cả áp suất) tăng thì hằng số phân li của H2CO3 và H2O tăng lên, dẫn tới pH giảm. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ tăng thì độ hoà tan của khí CO2 trong nước biển lại giảm và do đó pH tăng lên. Các hợp phần khác như các axít Boríc (H3BO3), axít Silisíc (H2SiO3), axit Phốtphoric (H3PO4)... mặc dù cũng phân ly và tạo ra H+ nhưng chúng ít có ý nghĩa đối với pH nước biển bởi nồng độ của chúng rất nhỏ và hằng số phân li rất bé. Khí Sunfuhydro (H2S) có ảnh hưởng tới pH nhiều hơn, nhưng không phải chỗ nào và bao giờ cũng có.
Nước biển, trong đó có hoà tan nhiều axit yếu và các muối của nó, được xem là một dung dịch đệm pH. Nước biển ở mọi vùng trên thế giới đều mang tính kiềm yếu, có pH khá ổn định và thường chỉ biến đổi trong giới hạn rất hẹp (7,6-8,4). Điều này đã dẫn tới việc sử dụng pH như một chỉ số của khối nước. Đối với nước vùng biển ven bờ, nhất là vùng cửa sông, do tỷ lệ thành phần muối Cacbonat rất khác nhau, nên cùng với độ kiềm của nước, pH còn được sử dụng để tính toán sự lan truyền của nước lục địa ở vùng nàỵ
Mặc dù tồn tại với nồng độ cực kỳ nhỏ bé, song sự có mặt của ion Hydro trong nước biển đã quyết định rất nhiều tính chất quan trọng của môi trường. Trước hết, pH được xem như cái "nền" trên đó xảy ra các phản ứng hoá học, sinh-hoá học, ví dụ như sự ăn mòn bê tông của nước biển, khả năng hoà tan đất đá ở bờ và đáy, điều kiện tồn tại và phát triển của thuỷ sinh vật... trong đó có nhiều loài rất nhạy cảm với sự biến đổi pH nước biển. Do có liên quan chặt chẽ với hàm lượng các axit yếu và muối của chúng có mặt trong nước biển, nhất là axit Cacbonic và các muối Cacbonat, nên pH còn là một thành phần quan trọng trong các mối cân bằng của các hệ cân bằng nói chung, hệ Cacbonat nói riêng trong biển.
Hiện nay, Hải dương học đang sử dụng hai phương pháp để xác định trị số pH nước biển: phương pháp đo điện và phương pháp so màụ Phương pháp đo điện là khách quan và chính xác hơn. Tuy nhiên các thiết bị đo pH nước biển có độ chính xác cao (±0,01) và tiện lợi trong việc lắp đặt đồng bộ cùng các thiết bị đo nhiệt độ, độ muối, Ôxy hoà tan... lại rất đắt tiền và đòi hỏi những điều kiện kỹ thuật tương thích. Một số thiết bị đo pH cầm tay tuy đơn giản và rẻ tiền
nhưng lại không đạt được độ chính xác mong muốn của Hải dương học, mà chỉ có tính chất kiểm tra chất lượng môi trường. Do vậy, trong nhiều trường hợp vẫn phải sử dụng các phương pháp phân tích hoá học để xác định pH nước biển.
Phương pháp so màu xác định pH nước biển rất đơn giản, không đòi hỏi những máy móc phức tạp, cồng kềnh mà vẫn đạt độ chính xác cao thoả mãn yêu cầu của Hải dương học.