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 водеCO2 находится 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+ + СO32‾ 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 (глюкоза) + 6O2 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 раствораCO2 (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 CO2в 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)2Насыщая 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 + H2OПреимущественное 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 в 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 ка
|
