CO2在水中形成酸，可同岩石中的碱性物质发生反应，并可通过沉淀反应变为沉积物而从水中除去。在水和生物体之间的生物化学交换中，CO2占有独特地位，溶解的碳酸盐
化合态与岩石圈、大气圈进行均相或多相的酸碱反应和交换反应，对于调节天然水的pH和组成起着重要作用。

对于CO2-H2O系统，水体中存在着CO2(aq),H2CO3,HCO3-和CO32-四种化合态，常把CO2(aq）和H2CO3合并为H2CO3，实际上H2CO3含量极低，主要是溶解性气体CO2(aq)。因此，水中H2CO3-HCO3--CO32-体系可用下面的反应和平衡常数表示：

CO2(g)＋H2O一→H2CO3pK0＝1.47

上式中K0包括：CO2(g)↔CO2(aq）亨利常数KH和CO2(aq)+H2O↔H2CO3的平衡常数，即［CO2(aq)]+[H2CO3]=[H2CO3］：

H2CO3↔HCO3-＋H+PK,1=6.35

HCO3-↔CO32-＋H+PK2=10.33

其中：

根据K1及K2值，就可以制作以pH为主要变量的H2CO3-HCO3--CO₃2-体系的形态分布图。

(1)封闭体系的碳酸平衡根据上述的碳酸平衡的一般反应方程，假如将水中溶解的[H2CO3]作为不挥发酸，由此构成了封闭的体系，在海底深处，地下水（一些封闭的岩溶洞）、锅炉水和实验室水样中可能遇见这样的体系。

在封闭体系中，用a0、al、a2分别代表上述三种化合态在总量中所占比例，可以给出下面三个表示式：

若用CT表示各种碳酸化合态的总量，则有[H2CO3]=CTa0,[HCO3-]=CTal和[CO32-]=CTa2。若把Kl,K：的表达式代入上面的三个式子中，就可得到作为酸解离常数和氢离子浓度的函数的形态分数。

并可以根据其形态分数作图（知道溶液pH可以估计其中各种形态碳酸的含量）：一般封闭体系的pH范围为4.3~10.8。水样中含有强酸时，pH将小于4.3，此时水样中一般仅有［H2CO3]；或水样中含有强碱时，pH>10.8，此时水样中一般仅有[CO32-］；pH=8.3可以作为一个分界点，pH<8.3,a2很小，[CO32-］可以忽略不计，水中只有［CO2(aq)],[H2COs3],[HCO3-]，可以只考虑一级解离平衡，即此时[H+]=Kl[H2CO3]/[HCO3]，所以pH=pKl-lg[H2CO3]+lg[HCO3-]；当溶液的pH>8.3时，[H2CO3]可以忽略不计，水中只存在[HCO3-]和[CO32-］，应该考虑二级解离平衡，即〔H+]=K2[HCO3-]/[CO32-］，所以pH=PK2-lg[HCO3-]+lg[CO32-］。

(2）开放体系的碳酸平衡以上的讨论没有考虑溶解性CO2与大气交换过程，因而属于封闭的水溶液体系的情况。实际上，根据气体交换动力学，CO2在气液界面的平衡时间需数日。因此，若需考虑的溶液反应在数小时之内完成，就可应用封闭体系固定碳酸化合态总量的模式加以计算。反之，如果所研究的过程是长时期的，例如一年期间的水质组成，则
认为CO2与水是处于平衡状态，可以更近似于真实情况。

开放体系的显著特点是空气中的CO2(g）能够和液相中的CO2(aq）达到平衡，此时液相中的CO2(aq）浓度可以根据亨利定律近似计算：溶液中，碳酸化合物的相应浓度表示为：
[H2CO3]≈[CO2(aq)]=KHpco2

由上述式方程可以知道，[H2CO3]、[HCO3]、[CO32-］三条线的斜率分别为0、+1、+2，此时cT为三者之和，并且是以二条绘去渐近线的一条曲线。如果已知溶液pH，则可估计其中各种形态碳酸的含量：pH<6,溶液中主要是[H2CO3];pH=6~10.3，溶液中主要是[HCO3-]；当pH>10.3，溶液中主要是[CO32-]。另外需要注意的是，在封闭体系中CT始终不变，但是在开放体系中，CT则是可以变化的，随着溶液pH的升高而升高。

(3)天然水中的碱度和酸度

①水的碱度（(alkalinity）水接受质子能力的量度，指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，亦即能接受质子H＋的物质总量。

碱度的主要形态为：OH-、CO32-、HCO3-。组成水中碱度的物质可以归纳为三类：强碱，如NaOH、Ca(OH)2等，在溶液中全部解离生成OH-；弱碱，如NH3,C6H5NH2等，在水中一部分发生反应生成OH-；强碱弱酸盐，如各种碳酸盐、重碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫化物和腐殖酸盐等，它们水解时生成OH-或者直接接受质子H+。

在测定已知体积水样碱度时，可用一个强酸标准溶液滴定，用甲基橙为指示剂，当溶液由黄色变为橙红色（(pH约4.3)，停止滴定，此时所得的结果称为总碱度，也称为甲基橙碱度。其化学反应的计量关系式如下：

H++OH-↔H2O

H++CO32-↔HCO3-

H+＋HCO3-↔H2CO3

因此，总碱度是水中各种碱度成分的总和，即加酸至HCO3-和CO32-全部转化为CO2.

根据溶液质子平衡条件，可以得到碱度的表示式：

总碱度=［HCO3-]+2[CO32-]+[OH-]—[H+]（甲基橙碱度）

此时，CT=[H2CO3]，所有的[HCO3]和[CO32-]全部转化为[H2CO3]，即CO2(aq）和H2CO3。

如果滴定是以酚酞作为指示剂，当溶液的pH降到8.3时，表示OH-被中和，CO32-全部转化为HCO3-，作为碳酸盐只中和了一半，因此得到酚酞碱度（碳酸盐碱度）：

酚酞碱度＝[CO32-]+[OH-]一［H2C03〕一[H+]（碳酸盐碱度）

此时所有的[CO32-]被中和，转化为[HCO3]，因此又称为碳酸盐碱度。

达到pH能使溶液中碳酸盐全部为CO32-，此时需酸量称为苛性碱度。苛性碱度在实验室里不能迅速地测得，因为不容易找到终点。若已知总碱度和酚酞碱度就可用计算方法确
定。苛性碱度表达式为：

苛性碱度=[OH-］一[HCO3]-2[H2CO3]一［H+]=2×酚酞碱度一总碱度

当滴定到CT=[CO32-]，此时所有的［OH-」都被中和，因此称为苛性碱度，此时的pH在10~11之间。

②水的酸度（(acidity）水的酸度是指水中能与强碱发生中和作用的全部物质，亦即放出H＋或经过水解能产生H＋的物质的总量，而pH是水中氢离子的活度表示，因此也不同。
酸度的主要形态为：H+、H2CO3、HCO3-。组成水中酸度的物质也可归纳为三类：

强酸，如HCI、H2SO4、HNO3等；弱酸，如CO2及H2CO3、H2S、蛋白质以及各种有机酸类；强酸弱碱盐，如FeC13、A12(SO4)3等。

以强碱滴定含碳酸水溶液测定其酸度时，其反应过程与上述相反。以甲基橙为指示剂滴定到pH=4.3,得到无机酸度：

无机酸度＝[H+]+[HCO3-]-2[CO32-]一［OH-]（甲基橙酸度）

无机酸度，又称为矿物酸度，或者甲基橙酸度（pH=4.3)。此时溶液中总碳酸盐为

CT=[H2CO3]，所有的H＋被OH-中和，其化学反应的计量关系式如下：

OH-＋H+↔H2O

OH-＋H2CO3↔HCO3-＋H2O

OH-＋HCO3↔CO32-＋H2O

以酚酞为指示剂滴定到pH=8.3，得到游离CO2酸度：

CO2酸度＝[H+]+[H2CO3]一［CO32-］一［OH-](酚酞酸度）

此时溶液中总碳酸盐为CT=[HCO3-]，所有的［H2CO3」被OH-中和，因此称为二氧化碳酸度，或称为酚酞酸度。

总酸度应在pH=10.8处得到，但此时滴定曲线无明显突跃，难以选择适合的指示剂，故一般以游离CO2作为酸度主要指标。同样也根据溶液质子平衡条件，得到总酸度：

总酸度＝[H+]+[HCO3-]+2[H2CO3]一[OH-]=2×CO2酸度一无机酸度

水的酸度对于水处理具有重要意义，对于酸性废水，常需要测定水中的酸度以确定需要加入水中的石灰或其他化学药剂的量。

③酸碱度和pH的关系如果应用总碳酸量（(CT）和相应的分布系数（a)来表示，则有：

总碱度=CT(al+2a2)+Kw/[H+]一［H+]

酚酞碱度=CT(a2一a0)+Kw/[H+]一[H+]

苛性碱度＝-CT(al+2a2)+Kw/[H+]一[H+]

总酸度＝CT(al+2a0)+[H+]一Kw/[H+]

CO2酸度＝CT(a0一a2）+[H+]一Kw/[H+]

无机酸度＝-CT(al+2a2)+[H+]一Kw/[H+]

此时，如果已知水体的pH、碱度及相应的平衡常数，就可算出H2CO3,HCO3-CO32-及OH-在水中的浓度（假定其他各种形态对碱度的贡献可以忽略）。