Alkaliteetti (limnologia)

Alkaliteetti (AT) (myös alkaliniteetti) on luonnonveden tai muun vesiliuoksen puskurikyky  happamoitumista vastaan. Tässä artikkelissa alkaliteettia tarkastellaan erityisesti luonnonvesissä limnologian näkökulmasta.
Yleisesti Kemiassa alkaliteetti  tarkoittaa liuoksen sisältämien emästen kykyä neutraloida siihen liuenneita happoja. Veden alkaliteetti riippuu veteen liuenneiden emästen vahvuuksista, pitoisuuksista ja laadusta.
Yleensä enemmistö luonnonveden emäksistä ovat karbonaattien johdannaisia, mutta kaikilla emäksillä on oma puskurikykynsä. Asiditeetti ilmaisee liuoksen happojen kykyä neutraloida siihen liuenneet emäkset. Alkaliteetti ilmaistaan yksikkönä millimoolina litrassa vettä eli mmol/l.

Mittaaminen

Neutraalin vesiliuoksen happamuustaso eli pH on 7. Emäksinen liuoksen pH-arvo on yli 7 ja happaman alle 7. Luonnonvesissä sen arvo vaihtelee pH 7 molemmilla puolilla. Emäksinen liuos kykenee neutraloimaan siihen lisättyjä happoja ja siten sen alkaliteetti on vahva. Kuitenkin myös hapan liuos voi sisältää emästä, joka osallistuu lisättyjen happojen neutraloimiseen. Vasta kun nämä emäkset ovat neutraloituneet liuoksesta, ei sillä ole enää alkaliteettia jäljellä. Luonnonvesissä ei ole enää alkaliteettia, kun liuoksen pH on noin 4,3–4,5. Siksi liuoksen titrauksessa tutkitaan liuoksen käyttäytyistä tähän pH-arvoon asti.
Alkaliteetin mittaus suoritetaan ”stressitestinä”, jossa liuokseen titrataan yksiarvoista ja vahvaa happoa, käytännössä suolahappoa niin kauan, että saadaan happamuustaso laskettua haluttuun arvoon. Tavoiteltu happamuudentaso ilmaistaan erilaisilla indikaattoreilla tai se mitataan sähköisesti pH-mittarilla eli potentiometrillä. Alkaliteetti ilmaistaan yksikkönä mmol/l (millimoolia/litra) eli millimoolia suolahappoa litrassa vettä. Käytössä on myös yksikkö mg/l eli milligrammaa litrassa vettä.
Fenoliftaleiini-alkaliteetti eli p-alkaliteetti eli p-luku ilmoittaa niiden alkaalien eli emästen pitoisuuden vedessä, jotka muodostavat hydroksyyli-ionin (OH⁻) liuetessaan veteen. p-luku mitataan lisäämällä veteen indikaattoriksi fenoliftaleiinia ja seosta titrataan 0,01 M suolahapolla värittömäksi. Silloin liuoksen happamuustaso on laskenut alle 8,3:n. Liuokseen lisätään nyt Cooperin indikaattoriseosta , joka titrauksen jatkuessa on aluksi vihreän värinen ja lopussa punaisen värinen. Tämä värinvaihdos tapahtuu happamuustasolla pH 4,5. Mittaustapa on epätarkka, mutta määritystarkkuudeksi ilmoitetaan silti 0,01 mmol/l.
Metyylioranssialkaliteetti eli m-alkaliteetti eli m-luku ilmoittaa niiden emästen pitoisuudet vedessä, jotka kuluttavat suolahappoa pH 4,3 asti. Tällaisia ioneja ovat OH⁻-ionit ja muut emäksien tapaan käyttäytyvät yhdisteet. Testi aloitetaan edellisen tapaan, kunnes liuoksen joukkoon lisätään indikaattoriksi metyylioranssia. Metyylioranssi vaihtaa väriään emäksisestä keltaisesta kokonaan hapanta ilmaisevaksi punaiseksi, kun pH on alle 4,4.
Indikaattorit voidaan korvata pH-mittarilla, jolla mitataan pH sähköisesti suoraan liuoksesta. Koska pH-mittarin mittausalue on indikaattoreita laajempi, voidaan näyte titrata suoraan arvoon pH 4,5 käyttäen suolahappoa. Mikäli näytteessä on runsaasti karbonaatteja ja sen pH on yli 8,3, titrataan näyte ensin pH 8,3 ja luetaan suolahapon kulutus. Sitten jatketaan titrausta varovaisemmin arvoon pH 4,5 ja luetaan suolahapon kokonaiskulutus.

Puskurikyvyn aiheuttajat

Alkaliteettia aiheuttavia aineita on luonnossa lukuisia. Tärkeimmän ryhmän muodostavat karbonaatit (CO₃²⁻) ja vetykarbonaatit eli bikarbonaatit (HCO₃⁻). Näitä syntyy luonnossa, kun ilman hiilidioksidia (CO₂) liukenee veteen ja muodostaa siinä hiilihappoa (H₂CO₃). Hiilihapon vesiliuos protolysoituu osittain ensin vetykarbonaatiksi ja vetykarbonaatista osa protolysoituu edelleen karbonaatiksi. Vetykarbonaatit ja karbonaatit toimivat vedessä emästen tavoin ja aiheuttavat pääosan sen alkaliteetista. Hiilihappo ja vetykarbonaatti ovat heikkoja happoja, mutta karbonaatti on emäs.
Muitakin puskurikykyä vahvistavia aineita on olemassa. Silikaatit ovat piihappojen suoloja, jotka ovat yleensä niukkaliukoisia veteen. Silikaatteja esiintyy kallion mineraaleissa ja ne muodostavat monimuotoisen yhdisteiden ryhmän. Alkalimetallien silikaatit sen sijaan liukenevat hyvin veteen. Tällainen on esimerkiksi natriumsilikaatti (NaSiO₃). Fosfaatit ovat fosforihapon suoloja, jotka voivat syntyä muutakin kautta kuin fosforihapon reaktioista. Luonnonvesissä on fosfaatteja luontaisesti vähän, mutta esimerkiksi navetan lanta, lannoitteet tai jätevedet sisältävät sitä runsaasti. Muita vastaavia ainesryhmiä ovat boraatit (BO₃³⁻), arsenaatit ( AsO₄³⁻) ja aluminaatit (AlO₂⁻, tai AlO₃³⁻). Maaperästä veteen liukenevat humusaineet tai siihen huuhtoutuva humus sisältää orgaanisia emäksiä, jotka osallistuvat veden puskurikykyyn.

Perusominaisuudet

Järveä, jolla on huono tai loppunut alkaliteetti, uhkaa happamoituminen. Jo pienet happamat sateet tai laskuojien valumat neutraloivat järven emäspitoisuudet ja alkavat sitten laskea veden happamuustasoa. Tällainen tapahtuma on Suomessa esimerkiksi sulamisvaluma kevättalven aikana. Mikäli palautumiseen ei jää aikaa, alentaa seuraava hapan kuormitus järven happamuustasoa lisää. Näihin ryhmiin kuuluvat vedet ovat erittäin suuressa vaarassa happamoitua.
Järven puskurikyky riippuu järven valuma-alueen maaperän laadusta. Karut ympäristöt, kallioiset maastot tai maaperän ohut moreenikerros ei tuota alkaliteetissa tarvittavia puskuroivia yhdisteitä riittävästi. Näillä seuduilla sijaitsevatkin useimmat Syuomen happamoituneista järvistä. Valuma-alueen peltovaltaisuus kasvattaa alkaliteettia ja vähentää siten happamoitumista. Kun veden pH kasvaa yli 7, niin samalla veden alkaliteetti kasvaa. Jos alkaliteetti on välttävä, tyydyttävä tai hyvä, kykenee se vastaustamaan useimpia happamia kuormituksia ja järven happamuustaso säilyy koko ajan vakiona. Kuitenkin pitkäaikainen ja vahvasti hapan kuormitus, kuten esimerkiksi suo- tai metsäojien runsas lasku järveen, tuhoaa lopulta sen puskurikyvyn ja järvi happamoituu pysyvästi. Alkaliteetti voi pienentyä myös vesimassan sisäisen kehityksen seurauksena. Esimerkiksi veteen liuennut ammoniumin hajoaa happikadon aikana ensin nitriitiksi ja sitten nitraatiksi tuottaen samalla happamuutta, joka kuluttaa ensin veden alkaliteettiä.
Järven happamuuden kehitystä tarkkailtaessa on tärkeää seurata juuri alkaliteetin muutoksia. Pelkkä pH–arvojen tarkastelu ei anna asiasta yhtä luotettavaa kuvaa, koska happamuusarvot voivat vaihdella satunnaisesti ja palata sitten takaisin normaaliarvoihinsa. Sen sijaan jo muutaman vuoden välein pintavedestä mitattu alkaliteetti riittää happamuusvaaran havaitsemiseen ajoissa. Pintavesinäyte kannattaa ottaa järven syystäyskierron aikana, jolloin vesi on tasalaatuista. Kevättäyskierron aikana järveen valuu tavallisesti runsaasti sulamisvesiä, eikä tulos vastaa järven normaalia tilaa.