Об углекислом газе и карбонатах

Важную роль в аквариумных процессах играет оксид углерода (IV) или, как его чаще называют, углекислый газ. Он представляет собой соединение углерода с кислородом; в молекуле вещества один атом углерода связан с двумя атомами кислорода — CO₂. Углекислый газ влияет на гидрохимические параметры воды (жесткость, pH, содержание различных веществ), он действует на рыб и других водных животных и играет важнейшую роль в развитии аквариумных растений.

Углекислый газ, как мы уже отмечали, хорошо растворим в воде; при температуре 20°C в 100 г воды может раствориться 87,8 мл, или 172 мг CO₂. Это значительно больше, чем растворимость таких газов, как кислород, водород, азот и др. (см. табл. 1).

Растворение CO₂ в воде связано с химическим взаимодействием его молекул с водой, приводящее к возникновению угольной кислоты:

CO₂ + H₂O == H₂СO₃

Угольная кислота неустойчива, она может распадаться, поэтому часть растворенного в воде CO₂находится в свободном состоянии. Это слабая кислота, т. е. она диссоциирует на ионы в незначительной степени:

H₂СO₃ = H⁺ + HCO₃^‾

Так, в растворе, в котором содержится 100 мл CO₂ в 1 л воды, приблизительно одна молекула из 50 диссоциирует на ионы. Очень малая часть образовавшихся гидрокарбонат-ионов HCO₃^‾ может также распадаться:

HCO₃^‾ = H⁺ + СO₃^2‾

В результате диссоциации угольной кислоты в воде концентрация ионов H⁺ становится больше, чем ОН^‾ и среда приобретает кислую реакцию (pH < 7).

Углекислый газ — постоянный компонент воздуха. Обычно в 1 м³ (1000 л) содержится около 300 мл CO₂. В атмосфере жилых помещений содержание CO₂ может быть выше за счет дыхания людей. Если мы учтем среднее содержание углекислого газа в воздухе, то при использовании микрокомпрессора для продувания аквариума с производительностью 50 л/ч, ежечасно аквариум будет получать 15 мл CO₂. Растворение CO₂ происходит и без продувки, за счет контакта поверхности воды с воздухом помещения. В этом случае, естественно, насыщение воды углекислым газом происходит значительно медленнее.

Другим источником CO₂ в аквариуме является газ, выделяемый при дыхании рыбами и другими водными организмами (улитками, насекомыми, рачками и др.).

Водные растения на свету поглощают (ассимилируют) CO₂, превращая его в органические соединения — углеводы, глюкозу и др. Этот процесс получил название фотосинтеза, он обычно выражается уравнением;

 

6СO2 + 6H2O =	С6Н12O6	+ 6O2
	глюкоза

В темноте происходит обратный процесс:

С₆Н₁₂O₆  + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O

приводящий к увеличению содержания CO₂ в воде. Естественно, эти процессы будут оказывать тем более существенное влияние на гидрохимические процессы, чем больше растений содержится в аквариуме. Выделение углекислого газа растениями в ночное время может явиться причиной гибели рыб от удушья.

Еще один источник CO₂ в аквариуме — выделение его при разложении (гниении и других процессах) различных органических веществ (старых листьев растений, останков рыб, избытка корма и т. п.).

Итак, углекислый газ в больших концентрациях токсичен для аквариумных животных. При большом содержании CO₂ в воде он попадает в кровь рыб, вызывая удушье. Для нормального функционирования аквасистемы концентрация CO₂ в аквариумной воде не должна превышать 4 мл/л.

В аквариумной практике приходится сталкиваться с необходимостью увеличения или уменьшения содержания углекислого газа в аквариумной воде. Увеличить концентрацию CO₂ в воде можно, увеличив количество рыб, содержащихся в аквариуме. Иногда, при выращивании большого числа водных растений (в декоративном аквариуме) рекомендуют продувание воды углекислым газом из баллона или выделяющимся при химических реакциях (например, между мелом и кислотой: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O) или брожении некоторых веществ, а также добавление раствора CO₂ (газированная вода). Все эти способы надо использовать очень осторожно, постоянно проводя анализ воды (измерять pH, dKH и содержание CO₂), чтобы не нанести вреда находящимся в аквариуме рыбам.

Уменьшить содержание CO₂ в аквариумной воде можно, уменьшив количество рыб или увеличив интенсивность и длительность освещения, чтобы активировать ассимиляционную деятельность водных растений. Многие аквариумисты считают, что продувка воды в аквариуме воздухом при помощи микрокомпрессоров приводит к уменьшению содержания CO₂ за счет вытеснения его из воды растворенным воздухом, однако вытеснить некоторое количество CO₂ удается лишь при большом его содержании. Концентрация CO₂, близкая к нормальной, практически не изменяется при такой продувке. Если же CO₂ в воде почти нет, то продувка атмосферным воздухом при помощи микрокомпрессоров приводит к увеличению содержания CO₂ в воде.

Важная роль CO₂ в гидрохимии аквариума состоит в установлении так называемого углекислотно-известкового равновесия. Это равновесие определяется главным образом тремя параметрами; концентрацией CO₂ в воде, значениями pH и карбонатной жесткости dKH.

Карбонат кальция CaCO₃ обладает очень плохой растворимостью в воде (7 мг в 1 л), что соответствует 2° жесткости. При растворении CO₂ в воде карбонаты, которые практически всегда содержатся в грунте, начинают взаимодействовать с углекислым газом, с образованием гидрокарбонатов, которые хорошо растворимы в воде:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

Насыщая воду углекислым газом, можно добиться очень высокого содержания гидрокарбонатов (жесткость может подняться до 50 ^OdGH). Если содержание углекислого газа в воде уменьшается, то происходит обратный процесс;

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Преимущественное протекание одного из процессов определяется значением pH в аквариумной воде. В табл. 11 показано, как зависит содержание углекислого газа в аквариумной воде от водородного показателя и карбонатной жесткости воды.

Таблица 11 Содержание углекислого газа в аквариумной воде (в мг/л) различной кислотности и карбонатной жесткости

dKH	pH 6	pH 6,5	pH 7	pH 7,5	pH 8
1	30	9,6	3,0	1,0	0,3
2	59	19,4	5,9	1,9	0,6
3	87	28,5	8,7	2,9	0,9
4	118	38,5	11,8	3,9	1,2
6	177	58,0	17,7	5,8	1,8
8	240	77,0	24,0	7,7	2,4
10	300	96,0	30,0	9,6	3,0
15	440	344	44,0	14,4	4,4
20	590	194	59,0	19,4	5,9

Эта таблица показывает, сколько необходимо растворить а воде CO₂, чтобы при определенной жесткости установить требуемое значение pH. В то же время значения pH и dKH позволяют приблизительно судить о количестве CO₂, содержащемся в воде аквариума.

Однако кислотность и карбонатная жесткость не являются единственными факторами, определяющими углекислотно-известковое равновесие воды в аквариуме. Это равновесие зависит от целого ряда факторов:

1. Объем (вместимость аквариума). Как правило, в аквариумах большого объема равновесные процессы более устойчивы.

2. Геометрические размеры аквариума (соотношение длины, высоты и ширины). В аквариуме с большой площадью поверхности лучше осуществляется газообмен, с воздухом.

3. Количество рыб и других аквариумных животных, выделяющих углекислый газ при дыхании.

4. Количество растений в аквариуме, которые, в зависимости от освещенности, выделяют или поглощают углекислый газ.

5. Интенсивность освещения, влияющая на жизнедеятельность аквариумных растений.

6. Химический состав воды, наливаемой в аквариум. Наиболее важный фактор — карбонатная жесткость (dKH).

7. Режим кормления рыб. Разлагающийся избыточный корм становится источником углекислого газа.

8. Температура воды. Влияет на растворимость карбонатов, углекислого газа, на скорость всех химических реакций.

9. Грунт. От содержания карбонатов в грунте зависит гидрохимический состав воды.

10. Движение воды за счет аквариумных фильтров, микрокомпрессоров, помп. Влияет на насыщение воды углекислым газом из воздуха и растворимость карбонатов.

Все указанные факторы говорят о сложной зависимости равновесия от условий содержания аквариума: из-за такого большого комплекса факторов часто бывает невозможно предугадать направление смещения углекислотно-известкового равновесия и соответствующее ему изменение гидрохимического состава аквариумной воды.

Расскажем подробнее о роли углекислого газа в жизнедеятельности растений. Как известно, растения состоят из органических соединений, т. е. соединений, основу (скелет) которых составляет углерод. Нарастание биомассы растений связано с необходимостью подпитки их извне соединениями углерода. Основным веществом, служащим для питания растений является углекислый газ. Растения ассимилируют (поглощают) CO₂, превращая его в органические соединения — глюкозу, крахмал и другие (схема простейшего процесса описана выше).

Поглощение CO₂ связано с изменением pH среды: сдвигом его значения в щелочную сторону. Содержание углекислого газа в аквариумной воде, как мы видели из табл. 11, снижается при уменьшении жесткости и уменьшении кислотности воды. Поэтому очень мягкая и особенно щелочная вода неблагоприятны для растений. Многие аквариумные растения прекращают рост даже в слабощелочной среде (при pH около 8).

Забирая углекислый газ из воды, растения сами ухудшают условия своего существования; для их улучшения необходим новый источник углерода. Некоторые растения могут использовать в процессе фотосинтеза только свободный CO₂, растворенный в воде. Если весь углекислый газ израсходован, то процесс фотосинтеза прекращается, и рост растения останавливается.

Некоторые представители гидрофлоры приспособились в отсутствие в воде свободного углекислого газа поглощать CO₂ из гидрокарбонатов кальция и магния, обусловливающих временную жесткость воды (биогенное умягчение воды). При этом происходят процессы?

Ca(HCO₃)₂ ⁼ CO₂ (поглощается растением) + CaCO₃ + H₂O

Ca(HCO₃)₂ = 2CO₂(поглощается растением) + Ca(ОН)₂

В результате первой реакции образуются выпадающие в осадок карбонаты кальция и магния, образующие белый налет на листьях растений. В результате второй реакции, приводящей к более полному извлечению углерода из гидрокарбоната, образуется щелочь Ca(ОН)₂, что влечет сильное увеличение pH. Например, элодея канадская (Elodea canadensis) может настолько полно поглощать углекислый газ из растворенных гидрокарбонатов, что pH поднимается до 10 и даже несколько выше. В таких условиях большинство других водных растений погибает. Поглощение CO₂ из гидрокарбонатов, а, следовательно, и поглощение воды будет происходить тем интенсивнее, чем выше переменная (карбонатная) жесткость воды. Поэтому высокое значение dKH не может быть рекомендовано для аквариумов. По-видимому, предельная карбонатная жесткость dKH должна быть не больше 10—14.