Растворимость углекислого газа в воде и другие вопросы
Уважаемый Олег Мосин! Прочитал Вашу статью «Вода без воздуха (газов)» в . Разрешите задать Вам вопрос лично. Я биолог с некоторым знанием основ химии. Вопрос касается растворимости углекислого газа в воде. Сущности этого процесса. Часть растворенного газа взаимодействует с водой с образование угольной кислоты, которая диссоциирует на гидрокарбонат и ионы водорода. Зная константу диссоциации, содержание растворенного диоксида углерода, мы можем рассчитать показатель кислотности и содержание самой угольной кислоты – оно ничтожно.
Вопрос: что удерживает остальную часть диоксида углерода в воде, ведь он не находится газовой фазе, иначе бы сразу улетучился? Нигде не могу найти ответа на этот вопрос: что удерживает собственно диоксид в воде? Может он образует с молекулами воды водородные связи? Поскольку водородные связи могут образовываться между атомом водорода, связанным с атомом электроотрицательного элемента, и электроотрицательным элементом, имеющим свободную пару электронов (О,F,N)?
И еще один вопрос. При рН=3 реакция диссоциации смещается влево, угольная кислота разлагается на углекислый газ и воду. А растворенный диоксид? Все эти вопросы связаны с процессом дыхания у насекомых и взрывообразным выделением углекислого газа из жидкости трахеол. С этими вопросами напрямую связано действие карбоангидразы катализирующей процесс связывания диоксида с водой и образования гидрокарбоната. Но мне не известно, чтобы одна из многочисленных изоформ карбоангидразы катализировала обратный процесс. В случае с карбогемоглобином все ясно – эффект Бора. Но гидрокарбонат поступающий в альвеолы из плазмы крови, что индуцирует процесс связывания с протоном? Какова кинетика этого процесса?
Буду очень Вам признателен, если Вы внесете ясность в эти вопросы или уточните направление поиска ответов.
С уважением, Владимир.
_________________
Здравствуйте, Владимир.
Вообще, насколько я знаю, растворимость углекислого газа в воде выше для всех газов, она примерно в 70 раз выше растворимости кислорода и в 150 раз выше растворимости азота при коэффициенте адсорбции углекислого газа водой 12.8, что соответствует растворимости 87 мл газа в 100 мг воды. Конечное, можно было бы предположить, например, что СО2 каким-то образом встраивается внутрь замкнутых кластеров воды и удерживается в них, как это имеет место в ….. Но вряд ли такой процесс может иметь место. Растворимость газов в воде различна и зависит как от внешних факторов — температуры и давления, так и от природы самого газа и его способности вступать в химическую реакцию с водой (как это происходит в случае с углекислым газом, который растворяется в воде за счёт химической реакции с образованием угольной кислоты, в свою очередь диссоциирующей на ионы Н+ и НСО-3). Но с другой стороны только 1% СО2, находящегося в водном растворе, присутствует в нём в виде Н2СО3. На это несоответствие обратили внимание многие исследователи. Поэтому для удобства расчётов химических уравнений, рКа и рН принято считать, что весь СО2 реагирует с водой.
С точки зрения химической кинетики процесс растворения углекислого газа в воде достаточно сложен. Когда СО2 растворяется в воде, то устанавливается равновесие между угольной кислотой Н2СО3, бикарбонатом НСО3- и карбонатом СО3-.
H2O + CO2 <->* H2CO3 <-> H+ + HCO3- <-> H+ + CO32-
Расчёт константы ионизации в данном случае проводится по нижеследующей схеме:
1) H2CO3 <-> H+ + HCO3-
2) HCO3- <-> H+ + CO32-
Константа первой стадии ионизации равна рКа1 = 4,4 x 10-7,
Константа второй стадии ионизации равна рКа2= 5,6 x 10-11,
Поскольку в растворе угольной кислоты обе стадии ионизации находятся в состоянии равновесия, можно скомбенировать первую и вторую константы ионизации рКа1 и рКа2, умножив их:
рКа1 x pКа2 = 4,4 x 10-7 x 5,6 x 10-11 = 2,46 x10-17
Баланс между углекислым газом, бикарбонатом и карбонатом зависит от pH: здесь действует принцип Ле Шателье — наличие в растворе ионов водорода сдвигает щелочную реакцию среды и кислую сторону (рН до 5,5). И наоборот удаление протонов из системы смещает равновесие реакции влево, когда углекислый газ восполняется из карбоната и бикарбоната. Таким образом, при низком значении pH, в системе преобладает углекислый газ, и фактически ни бикарбоната, ни карбоната не образуется, тогда как при нейтральном значении pH, бикарбонат доминирует над СО2 и Н2CO3. И только при высоком pH, преобладает карбонат.
Карбоангидраза катализирует процесс гидратации СО2 и дегидратации СО2 (примерно в 100 раз).
Насчёт эффекта Бора, там если я не ошибаюсь, иной механизм — уменьшение значения рН вызывает уменьшение связывания кислорода с гемоглобином, в результате чего происходит выделение кислорода. Насколько я помню из институтского курса биохимии эффект Бора объясняется тем, что в молекуле гемоглобина имеются сайты связывания протонов в виде остатков гистидина и аспарагиновой кислоты. Как там всё происходит я точно не сказать не могу, но главная суть заключается в способности этих аминокислотных остатков взаимодействовать друг с другом в виде оксии дезокси-формы. В дезокси-форме остаток аспарагиновой кислоты способен формировать связь между протонированным остатком гистидина. Этот остаток гистидина имеет высокое значение pKa, поскольку связь гистидина с остатком аспарагиновой кислоты удерживает протон от диссоциации. Но в виде окси-форме образование такой связи невозможно и поэтому значение pKa для окси-формы гистидина возвращается к нормальному значению pKa. Поэтому, при рН крови 7,4 гистидин существует в оксигемоглобине в непротонированном виде. Высокие концентрации протонов способствуют образованию деокси-формы гистидина и как следствие этого освобождению кислорода. Освобождение СО2 в свою очередь уменьшает сродство гемоглобина с кислородом двумя путями. Во-первых, некоторое количество СО2 превращается в бикарбонат, освобождая протоны, ответственные за эффект Бора. Другая часть этого бикарбоната высвобождается эритроцитами, оставшаяся же часть бикарбоната взаимодействует непосредственно с гемоглобином, связываясь с N-группой аминокислотного остатка и формируя эфир неустойчивой карбаминовой кислоты уретан. В этом процессе снова происходит освобождение протонов, что в свою очередь приводит к высвобождению О2 и связыванию СО2. Таким образом происходит цикл дыхания.
С уважением,
О. В. Мосин
Экология СПРАВОЧНИК
В интервале pH 5,6—11 растворимость кальцитов является функцией растворенного количества углекислого газа, поэтому наблюдается пропорциональность разрушения поверхности с годовым количеством осадков и содержанием в них растворенного диоксида углерода. При pH менее 5,5 скорость разрушения пропорциональна концентрации катионов Н+ в осадках. Перевод карбоната с поверхности в раствор сопровождается последующей перекристаллизацией и образованием гипса по реакции с диоксидом серы. Вода достаточно хорошо проникает в известняк — при давлении 0,3 МПа она проникает в образец со скоростью 0,01 см/с; очень быстро (всего за 13 с) вода, проникшая в поры известняка, насыщается кальцием.[ …]
Диоксид углерода, растворяясь в воде, частично вступает с ней во взаимодействие с образованием угольной кислоты. Отдельно определить содержание диоксида углерода и угольной кислоты в воде трудно, поэтому суммарную концентрацию этих компонентов принимают за концентрацию свободной угольной кислоты. Так как только около 1 % растворенного диоксида углерода образует угольную кислоту, расчет содержания свободной угольной кислоты ведется на диоксид углерода С02своб. Концентрация свободной угольной кислоты в поверхностных водах определяется парциальным давлением диоксида углерода в атмосфере. Растворимость диоксида углерода в воде, отвечающая равновесному состоянию при атмосферном давлении, приведена ниже.[ …]
Диоксид углерода (С02) повсеместно присутствует в природных водах. Растворимость С02 в воде зависит от давления и температуры При нормальном давлении 1 объем воды при 20°С растворяет 0,88 объема С02, а при 0°С -1,7 объёма. Если при 20°С давление увеличить до 2,5 МПа, то растворимость С02 составит 16,3 объёма газа в одном объёме воды. Вода поверхностных источников содержит незначительные концентрации растворённого С02. Однако в воде глубинных скважин его содержание может быть значительным.[ …]
В океанических экосистемах во внутренней, водной, окружающей среде лимитирующим максимально возможную метаболическую мощность оказывается (из компонентов атмосферы) кислород, плохо растворяющийся в воде. При 15 °С и атмосферном давлении в 1 см3 воды растворяется 0,036 смэ кислорода. Растворенный в воде кислород находится в физическом равновесии с концентрацией кислорода в атмосфере. Равновесная массовая концентрация растворенного в воде кислорода при 15 °С в 47 раз меньше, чем в атмосфере. Диоксид углерода существенно лучше растворяется в воде, чем кислород. Массовая растворимость диоксида углерода в воде при тех же условиях приблизительно в 50 раз превосходит растворимость кислорода.[ …]
В течение этой стадии рост температуры (до 80 °С) и присутствие антимикробных соединений абиотического происхождения приводят к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов, таких как Salmonella spp. и вирусы, личинок насекомых и семян растений. Температура используется как индикатор работы свалки [246]. Хотя возрастание ее оказывает положительное влияние, увеличивая активность и скорость роста микроорганизмов, оно отрицательно влияет на растворимость кислорода, который является лимитирующим субстратом. Диоксид углерода в свою очередь может влиять на скорость метаболизма, снижая значение pH, хотя это снижение ускоряет гидролиз полимеров. И наконец, значительное образование воды в ходе микробного метаболизма [247] существенно изменяет ее баланс в системе.[ …]
Растворимость в воде диоксида углерода зависит от температуры, поэтому в холодных областях происходит его поглощение, а в тропиках — выделение.[ …]
Десорбция диоксида углерода. Растворимость диокси-а углерода в воде значительна и составляет 169 мг в 100 г воды ри 20 °С и 283 мг в 100 г воды при 5 °С.[ …]
Абсорбция водой является одним из распространенных методов улавливания диоксида углерода из газов. Основными преимуществами воды как абсорбента для удаления примесей из газа является ее доступность и дешевизна. Применение любого абсорбента, кроме воды, связано с необходимостью создания герметической системы и рекуперации, так как в процессе очистки он «летит» и отходящие газы загрязняют атмосферу. Воду можно применять в простых скрубберах с меньшей опасностью утечки газа. Часто, чтобы увеличить растворимость примеси (например, СО2) в воде, процесс проводят при повышенном давлении. Принципиальная схема процесса приведена на рис. 1-33.[ …]
Миграция кальция в значительной мере определяется режимом диоксида углерода и низкой растворимостью карбонатов кальция; накопление натрия в почвенных и грунтовых водах существенно не ограничивается, поэтому почвенно-грунтовые воды степной зоны обогащены водорастворимыми соединениями натрия. На территории европейской части России содержание натрия в поверхностных водах степной зоны в десятки раз больше содержания этого элемента в поверхностных водах таежной зоны.[ …]
Для очистки сточных вод может быть использован известковый шлам с добавлением карбоната магния [184]. Прк этом происходит осаждение Mg(OH)2 и СаС03. Преимущества этого метода: вода в процессе очистки практически не загрязняется минеральными солями, имеется возможность регенерации Mg из осадка путем обработки его диоксидом углерода с образованием растворимого в воде бикарбоната магния, который может быть повторно использован.[ …]
Фенолы, растворенные в сточных водах, относительно легко окисляются кислородом воздуха. Дальнейшее окисление может привести к образованию диоксида углерода и воды. Глубина превращения фенолов зависит от параметров окисления. Многоатомные фенолы окисляются интенсивнее одноатомных, особенно при pH == 7. Например, степень разложения метилрезорциновой и диметилрезорциновой фракций [368] при температуре сточной воды 40 °С и pH = 9,5 13,0 составляет 30—50%, причем наблюдается образование продуктов уплотнения и конденсации фенолов, плохо растворимых в воде.[ …]
При термической дегазации воды от растворенного диоксида углерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парциальное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение избыточных тазов из воды (физическая десорбция).[ …]
Показателем содержания органических примесей в сточных водах является величина ХПК. Окисление органических примесей осуществляется дихроматом калия в присутствии концентрированной серной кислоты. В качестве катализатора окисления для труд-ноокисляющихся веществ применяется сульфат серебра. При действии дихромата калия в сильнокислой среде происходит практически полное окисление растворимых, коллоидных и нерастворимых органических примесей. Конечные продукты окисления — диоксид углерода, вода, аммиак, фосфаты и сульфаты. Но и в этих условиях небольшая часть органических веществ остается полностью или частично неокисленной. Степень окисления органических веществ обычно составляет 95—98%. По данным определения ХПК можно рассчитать, зная состав органического соединения, его содержание в воде. И наоборот, величину ХПК можно вычислить для определенного соединения, используя уравнение реакции его окисления. Теоретическое ХПК обычно выше установленного анализом. Практически при определении ХПК не окисляются пиридин и некоторые другие азотсодержащие органические соединения, а также труднорастворимые углеводороды (бензол, нафталин, парафины). Максимально определяемая данным методом величина окисляемости составляет 104 мг 02/л.[ …]
Использование для нейтрализации щелочных сточных вод диоксида углерода имеет ряд преимуществ по сравнению с серной или соляной кислотами. Применение СЮ2 дымовых газов позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости С02 уменьшается опасность перекислвдия нейтрализованных растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применение л о сравнению с сульфатами или хлоридами, кроме того, коррозионные и токсичные действия COI- -ионов в воде меньше, чем для ионов SO » и С1з.[ …]
Растворенный почвенный воздух —газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в почвенной воде возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Наиболее хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода.[ …]
Очистка растворами карбонатов. Основана на взаимодействии диоксида углерода с водными растворами карбонатов натрия и калия (обычно поташа) с активирующими добавками оксидов поливалентных металлов. Скорость абсорбции практически полностью лимитируется скоростью реакции п жидкой фазе СОг + ОН- —> НСО-3.[ …]
Очистка гликолями (ДЭГ, ТЭГ) применяется обычно на промыслах в тех случаях, когда газ содержит большое количество H2S и С02 и нет необходимости в его очистке от этих примесей до требований отраслевого стандарта (ОСТ 51.40—83), а используют его для нужд самого промысла (закачка в пласт для поддержания пластового давления, использование в качестве топливного газа). Применение гликолей упрощает технологию очистки, поскольку для очистки и осушки газа от паров воды используется один абсорбент. Кроме того, основное количество абсорбированных компонентов выделяется из насыщенного абсорбента простой дегазацией, без затрат тепла. Наибольшее распространение в таких процессах очистки получил ДЭГ, растворяющая способность которого по сероводороду и диоксиду углерода характеризуется зависимостями, показанными на рис. 1.24. Видно, что при атмосферном давлении растворимости H2S и С02 близки и очень низки (3—8 мг/м3), а с повышением давления они резко растут — до 80—100 мг/м3 по H2S (при 1,2 МПа) и 10—15 мг/м3 по С02 (при 2,0 МПа). Это свидетельствует о том, что степени очистки сырого газа от H2S и С02 гликолями будут существенно различаться.[ …]
Из уравнения основного карбонатного равновесия следует, что воды с одинаковым содержанием свободной угольной кислоты, но с различной концентрацией гидрокарбонатов будут проявлять неодинаковую активность по отношению к карбонату кальция. Поэтому маломинерализованные воды вследствие избытка свободной угольной кислоты могут проявлять агрессивные свойства по отношению к бетону. Если концентрация гидрокарбонатов больше, чем это необходимо для осуществления равновесия со свободной угольной кислотой, т. е. вода имеет повышенную щелочность, то карбонатное равновесие снова становится неустойчивым, но уже из-за избытка гидрокарбонат-ионов. Нарушением основного карбонатного равновесия объясняется и образование карбонатной накипи при нагревании воды. С повышением температуры растворимость диоксида углерода в воде уменьшается и поэтому наблюдается смещение карбонатного равновесия в направлении образования свободной угольной кислоты и карбонат-ионов при разложении гидрокарбонатов. С ионами Са2+ карбонат-ионы образуют карбонат кальция, растворимость которого понижается с повышением температуры.[ …]
Распределение С02 неравномерно и частично зависит от биологической активности в данном районе. Подобно кислороду, содержание С02 в поверхностных слоях воды является функцией его содержания в атмосфере и парциального давления. Однако схемы распределения диоксида углерода и кислорода сильно отличаются друг от друга. Так, поверхностные воды Тихого океана заметно ненасыщены, тогда как поверхностные воды Индийского океана вблизи экватора перенасыщены. Это указывает на аномалию равновесной растворимости С02, т. е. содержание растворенного диоксида углерода в водах Индийского океана повышается при увеличении температуры. Распределение же общего углерода в зависимости от глубины, по-видимому, более единообразно, так как наблюдается единая тенденция к повышению содержания углерода по мере увеличения глубины вследствие оседания продуктов распада погибших организмов из биологически более богатого поверхностного слоя воды.[ …]
Схема очистки газа от С02 этим методом достаточно проста. Газ промывают холодной водой в башнях с насадкой (скрубберах) под давлением 1,5—2,5 МПа, так как с повышением давления растворимость диоксида углерода в воде возрастает. При этом из газа частично удаляется и сероводород, растворимость которого также увеличивается. Затем давление снижают, и из воды выделяется (десорбируется) газ, содержащий до 85% диоксида углерода (остальное — водород, азот, сероводород), который используют для получения сухого льда, карбамида, соды и других продуктов.[ …]
Кинетику осаждения или всплывания следует определять сейчас Же после отбора проб сточных вод, так как только в этих случаях получаются результаты, которые могут быть использованы для расчетов аппаратуры. Объясняется это тем, что и содержание грубодисперсных примесей, и дисперсность нерастворимой в воде фазы изменяются при стоянии. Образуются смолы из веществ, растворимых в воде, могут образоваться осадки вследствие выделения водой диоксида углерода или, наоборот, вследствие поглощения ею СОг из воздуха, может произойти агломерация частиц взвешенного осадка, что отразится на кинетике их выпадения, и т. д. Плотность одной и той же смолы при разных ‘Температурах может быть больше или меньше единицы т. ё. при одной температуре смола окажется тонущей, при другой— всплывающей.[ …]
Аналогично температура океана играет роль положительной обратной связи. При росте температуры морской воды растворимость СО2 уменьшается, а парциальное давление СО2 на водной поверхности растет. Рост концентрации диоксида углерода приводит к дальнейшему росту температуры. Напротив, при уменьшении температуры воды растворимость СО2 возрастет, парциальное давление тоже уменьшится, что приведет к дальнейшему падению температуры. Мировой океан является резервуаром гигантского количества СО2. Огромные массы воды океана содержат количество СО2, в 50 раз превышающее его количество в атмосфере, в 20 раз — в биоте. Огромная емкость океана по СО2 обусловлена его стратификацией — температура поверхностных ёод много выше температуры нижележащих слоев, имеющих температуру около 4°С. Этим объясняется важная роль океана в глобальной климатической системе.[ …]
Для количественной характеристики степени гидролиза удобно пользоваться концентрацией водородных ионов в растворе или pH. Изменяя pH раствора, можно регулировать течение процесса в желаемом направлении и обеспечить полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для этого необходимо связать образующиеся при гидролизе ионы водорода в педиссо-циированные молекулы, а также удалить один из продуктов гидролиза из сферы реакции. Хотя гидроксиды алюминия и железа имеют малую растворимость (0,6—1,5 мг/л), все же эти величины при небольших дозах коагулянта (до 150 мг/л) достаточны для торможения процесса гидролиза. Поэтому pH среды играет большую роль в процессе коагуляции. В этом отношении положительное буферное действие оказывают растворенные в воде бикарбоиатные соли. В совокупности с растворенным в воде диоксидом углерода они образуют буферную систему с pH, близким к нейтральной точке. В тех случаях, когда емкости буферной смеси не хватает для нейтрализации образующейся кислоты, воду подщелачивают, вводя известь, соду и т. п.[ …]
Водяной пар для отгонки адсорбированных веществ может быть заменен нагретым выше температуры их кипения инертным газом (азотом, диоксидом углерода), а в случае отгонки веществ, не образующих взрывчатых смесей, и нагретым возду—хом [3, 20]. Эта замена целесообразна прежде всего для отгонки веществ, обладающих высокой растворимостью в воде (на- пример, при отгонке из угля уксусной кислоты).[ …]
ChemStudy
В воде СО2 растворим довольно хорошо (приблизительно 1:1 по объёму).
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА И ЕЁ СОЛИ.
При растворении углекислого газа происходит его частичное взаимодействие с водой, ведущее к образованию угольной кислоты:
Н2О + СО2 ? Н2СО3.
Хотя равновесие этой реакции сильно смещено влево, СО2 следует считать ангидридом угольной кислоты. Последняя очень слаба и лишь незначительно распадается на ионы Н· и НСО3’, а дальнейшая её диссоциация с образованием ионов СО3” сама по себе почти не идёт. Учитывая, однако, возможность и такой диссоциации, можно написать следующее равновесие в водном растворе СО2:
Н2О + СО2 ? Н2СО3 ? Н·+ НСО3’ ? 2 Н· + СО3”.
При нагревании СО2 улетучивается и равновесие смещается влево; напротив, при прибавлении щёлочи происходит связывание ионов водорода и смещение равновесия вправо.
Растворимость СО2 в воде составляет (по объёму): 1,71 при 0 °С; 0,88 при 20 °С; 0,36 при 60 °С. В равновесии с воздухом в воде содержится около 5·10-4 г/л диоксида и за счёт его растворения она приобретает рН = 5,7, а насыщенный при обычных условиях водный раствор является приблизительно 0,04 М относительно СО2 и имеет рН = 3,7. Из насыщенного на холоду раствора может быть выделен кристаллогидрат СО2·6Н2О, являющийся аддуктом. Вместе с тем для угольной кислоты известен устойчивый лишь ниже 5 °С эфират (С2Н5)2О·Н2СО3 (т. пл. -47 °С).
С хорошей растворимостью углекислого газа связано его использование при изготовлении искусственных минеральных вод. Из них обычная газированная вода представляет собой просто насыщенный водный раствор СО2, а в состав других входят, кроме того, примеси некоторых солей. Подобным же образом готовят и “прохладительные напитки” (лимонад и др.) с той лишь разницей, что вместо солей добавляют небольшие количества сахара и различных “эссенций”.
Страницы:
15
ЯРОСЛАВСКИЙ ТЕАТР драматический им . Ф. Г. Волкова. Основан в 1750 Ф. Г. Волковым, с 1918 городской театр, с 1992 Российский театр драмы им. Ф. Г. Волкова, с 1966 академический.
ЯГОДА Генрих Григорьевич (1891-1938) , политический деятель. С 1920 член президиума ВЧК, с 1924 заместитель председателя ОГПУ при СНК СССР, генеральный комиссар государственной безопасности (1935), нарком внутренних дел СССР (1934-36). В 1936-37 нарком связи СССР. Член ЦК ВКП(б) с 1934. Возглавляя органы внутренних дел, был одним из главных исполнителей массовых репрессий. Расстрелян.
ЯПОНСКИЕ ОСТРОВА , в западной части Тихого ок. Основная часть территории Японии. Самые большие о-ва — Хонсю, Хоккайдо, Кюсю, Сикоку.
Получение
В промышленности получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве закачивается в баллоны.
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.
CO2 в аквариуме с растениями (The Aquatic Gardener, Tropica)
Перевод статьи CO2 in planted aquaria. Оле Педерсен (Ole Pedersen), Троелс Андерсен (Troels Andersen) и Клаус Кристенсен (Claus Christensen). Эта статья впервые была опубликована в журнале The Aquatic Gardener 2007 том. 20 (3) стр. 24-33 (PDF)
Публикуется на условиях Tropica свободного некоммерческого использования. Перевод — ©Руслан Иванюшин (a.k.a. naman) 2007.
CO2 вне всякого сомнения самый важный среди всех источник питания. Без достаточного количества СО2 растения не могут фотосинтезировать и преобразовывать неорганический углерод в богатые энергией сахара, крахмал и все остальные молекулы содержащие углерод составляющие растение. Может показаться странным рассматривать СО2 как источник питания растений. При выращивании наземных растений мы предоставляем свет, воду, питательные вещества, но никогда CO2. Эта статья разъясняет почему в аквариум нужно дополнительно подавать CO2, как СО2 используется растениями, как мы можем предоставить CO2, и сколько его нужно.
| Фотосинтез как функция концентрации CO2. При очень низкой концентрации СО2 общий фотосинтез имеет негативный баланс. Точка компенсации СО2 (CO2 compensation point) определена как точка в которой общий фотосинтез равен нулю. При более высоких концентрациях СО2 фотосинтез постепенно насыщается потому что его начинают лимитировать другие факторы кроме CO2. |
CO2 – самый важный источник питания для растений.
CO2 вне всякого сомнения является самым важным питательным веществом для растений потому что его роль в фотосинтезе в конечном счете приводит к формированию новых листьев и корней. Фотосинтез это процесс происходящий только у фотоавтотрофов — организмов которые могут жить используя свет как источник энергии. В процессе фотосинтеза СО2 и вода H2O при помощи света преобразуются в богатые энергией сахара C6H12O6 и кислород O2.
Из уравнения фотосинтеза очевидно что для его протекания нужны только CO2, вода и энергия света. Следовательно если одного из трех главных компонентов будет недостаточно, фотосинтез происходить не будет. Это кажется странным потому что мы все знаем людей которые могут отлично содержать красивый аквариум с растениями без искусственной подачи CO2. Значит СО2 должен был изначально присутствовать в воде или это было бы невозможно. В биосистемах СО2 образуется в процессе дыхания. Можно сказать что процесс дыхания противоположен процессу фотосинтеза. В процессе дыхания высвобождается энергия при преобразовании сахаров в СО2 и воду. Водные растения тоже дышат все 24 часа в сутки. Тем не менее, при освещении большинство водных растений потребляют намного больше органического углерода в процессе фотосинтеза, чем выделяют в процессе дыхания. Однако ночью фотосинтеза нет потому что нет света, поэтому дыхание доминирует и СО2 производится растениями, беспозвоночными, рыбами и микроорганизмами.
| Врезка 1 Когда СО2 растворяется в воде, согласно уравнения он образует равновесие между угольной кислотой H2CO3, бикарбонатом HCO3- и карбонатом CO32-: Уравнение 1 H2O + СО2 <->* H2CO3 <-> H+ + HCO3- <-> H+ + CO32- Из базовых законов химии следует что СО2 потребляется в процессе фотосинтеза растениями, а pH повышается потому что из раствора удаляются протоны. Протоны удаляются потому что равновесие стремится в левую сторону когда СО2 пополняется из (HCO3-) и карбоната (CO32-). Знак * обозначает что этот процесс часто стимулируется carbonic anhydrase, энзим который в процессе эволюции жизни на Земле образовывался у растений и животных несколько раз. С другой стороны ночью, когда доминирует дыхание, pH понижается потому что образуется больше протонов и СО2 постоянно добавляется в левую часть уравнения. | |
| CO2 как функция pH. При низком pH большинство неорганического углерода присутствует в форме CO2. При нейтральном pH большинство его присутствует в форме бикарбоната, а при высоком pH уравнение смещается в сторону карбоната. Сумма бикарбоната и карбоната называется карбонатной жесткостью и измеряется в градусах (dKH). Лучший и более корректный термин это карбонатная щелочность которая измеряется в миллиэквивалентах на литр (meq/l). Милли эквивалент показывает сколько миллиэквивалентов кислоты требуется для титрования бикарбоната и карбоната которые оба действуют как слабые щелочи. |
| После того как СО2 диффундирует в клетки и далее в хлоропласты где и происходит фотосинтез он преобразуется в процессе фотосинтеза из неорганического углерода (двуокись углерода, CO2) в органический углерод (сахар, C6H12O6) по формуле 2: Формула 2 6CO2 + 12H2O -> 6C6H12O6 + 6 O2 Формула 2 слишком упрощена и на самом деле содержит несколько химических циклов. Останавливаться на каждом из них вне темы данной статьи. Тем не менее важно отметить что этот процесс требует энергии света и следовательно происходит только во время освещения. Первый этап фотосинтеза это захват CO2, когда карбоксилаза, RuBisCO выступает катализатором длинной цепочки биохимических процессов. Как и все энзимы, RuBisCo состоит из протеинов и следовательно содержит большое количество органического Азота [N]. Это та причина по которой мы наблюдаем четкое взаимодействие между CO2, питательными веществами и светом как описано во всей этой статье. | |
Химия воды и СО2 Растворимость СО2 очень высока и он легко растворяется в воде. Растворимость почти 1:1, что означает что 1л воды может содержать почти такое же количество СО2 как и 1л воздуха в равновесном состоянии. Когда СО2 растворяется в воде он образует равновесие между угольной кислотой (H2CO3), бикарбонатом (HCO3-), и карбонатом (CO32-), см. Врезку 1. Баланс между двуокисью углерода, бикарбонатом и карбонатом очень зависит от pH, то есть при низком pH двуокись углерода доминирует а бикарбоната и карбоната практически нет, в то время как при нейтральном pH бикарбонат доминирует над двумя другими формами углерода. Только при высоком pH существует доминирование карбоната. Из этих фактов мы можем получить определенную выгоду и делать pH на уровне который устраивает нас, тем самым получая желаемую концентрацию СО2 в аквариуме с растениями.
| CO2 питает фотосинтез, а O2 является побочным продуктом. Если в воде присутствует достаточно СО2 многие растения образуют пузырьки кислорода. Здесь Riccia fluitans покрыта тысячами пузырьков. Потребление водными растениями двуокиси углерода. Все водные растения потребляют СО2 непосредственно из воды. Когда наземные растения потребляют СО2 из окружающего воздуха они это делают через устьица. Настоящие водные растения не имеют устьиц и толщина кутикулы меньше по сравнению с их наземными родственниками. Следовательно когда водные растения потребляют СО2 из окружающей воды они делают это путем пассивной диффузии СО2 из воды через небольшой слой кутикулы в фотосинтезирующие клетки. У водных растений даже клетки эпидермиса содержат хлоропласты чтобы уменьшить расстояние которое должен пройти CO2. |
В воде потребление СО2 ограничено низкой скоростью диффузии. Диффузия газов в воде почти в 10.000 раз медленнее чем в воздухе. Мы можем частично это компенсировать повысив в аквариуме с растениями концентрацию CO2. Однако в большинстве случаев мы можем повысить концентрацию до в 100 раз большей чем установившееся равновесие между воздухом и водой, что означает что водные растения все равно будут лимитированы низкой скоростью диффузии газов в аквариуме. Есть альтернативные пути фотосинтеза и альтернативные источники CO2, включая использование бикарбонатов которое описано во Врезке 2.
Взаимодействие с другими питательными веществами и светом. Большая подача СО2 может помочь растениям сохранить другие важные питательные вещества, и если СО2 много, водные растения могут расти даже при меньшей интенсивности освещения. Этот феномен был описан в TAG 2001, когда использовалась подводная форма Riccia fluitans. Вкратце, наше исследование показало, что повышенные концентрации СО2 в аквариуме могут поддерживать такой же рост растений при меньшей интенсивности освещения и доступности азота. Мы пришли к выводу что часто проще сделать большую концентрацию СО2 в аквариуме чем увеличить освещенность и рекомендуем ориентироваться на высокие значения во Врезке 3, особенно если аквариум еще не имеет интенсивного освещения.
Другой аспект взаимодействия между СО2 и другими питательными веществами заключается в том что их концентрация может быть понижена без потери выгод подачи CO2. Высокие уровни СО2 в аквариуме позволяют растениям использовать меньше азота для Rubisco, который является самым распространенным энзимом растений. Rubisco это энзим который выступает катализатором первого этапа Цикла Кальвина когда СО2 соединяется с рибулозо 1-5 дифосфатом. Все энзимы состоят из протеинов которые содержат очень много Азота. Следовательно если при высокой концентрации СО2 нужно меньше энзимов протеины могут использоваться в других процессах ведущих к образованию новой биомассы. (1)
| Littorella uniflora выращенная при высокой и низкой концентрации CO2. Растения выращенные при высокой концентрации СО2 были намного больше при том что питательных веществ поступало равное количество. (слева высокая, справа низкая подача CO2) Подача в аквариум с растениями CO2. Если у вас есть компрессор, выключите его! Если у вас есть два компрессора, выключите их оба! В аквариуме с растениями компрессор не используется никогда. Назначение компрессора подавать кислород (O2) рыбам и беспозвоночным в аквариум в котором нет стабильного производства кислорода водными растениями. В аквариуме с растениями кислорода будет более чем достаточно как для рыб, так и для беспозвоночных даже в ночное время когда фотосинтез не происходит. Во время ночного дыхания растения, рыбы и беспозвоночные производят СО2 который легко растворяется в воде. Этот СО2 может использоваться растениями во время фотосинтеза когда на следующий день включается свет. Если включен компрессор СО2 выветривается из воды, так же как углекислота выходит если встряхнуть бутылку с газированной водой. Таким образом лучше отправить компрессор на давно заслуженный покой! |
Чтобы поддерживать требуемую концентрацию СО2 в аквариуме мы рекомендуем использовать постоянный CO2-тестер. Это маленькое гениальное устройство помещается в аквариум и наблюдается снаружи. В нем применяется цветной химический индикатор (бромотимол голубой, bromothymol blue), который всегда должен быть зеленого цвета если концентрация СО2 находится в рекомендуемом диапазоне. Вообще то это устройство показывает не концентрацию СО2 а pH, таким образом оно может использоваться только как указатель того что СО2 точно сколько нужно. Таблица dKH/pH в этой статье показывает концентрацию СО2 при данном pH как функция карбонатной жесткости dKH. Постоянный СО2 тестер просто несложный способ проверки уровня СО2 (pH) а не самого внесения СО2 как такового. (2)
Если требуется поднять концентрацию СО2 в аквариуме с растениямиМетод брожения вероятно самая дешевая альтернатива. Метод брожения основан на том что клетки дрожжей в отсутствие кислорода ферментируют сахара или крахмал в CO2. Полученный газ СО2 подается в воду при помощи керамического распылителя, механического распылителя, или при помощи CO2-реактора. Побочным продуктом ферментации является алкоголь (в нем может быть и метанол, так что не пейте его!). В Интернет можно найти множество реализаций хорошо функционирующих емкостей для брожения. Они также производятся и продаются в аквариумных магазинах. Конечно метод брожения лучше чем ничего, но у него есть один большой недостаток – подача газа не может быть контролируемой. Иногда дрожжам всего хватает и они ферментируют много сахара что приводит к огромному растворению СО2 в воде. В другое время клетки дрожжей менее активны и в аквариум подается слишком мало CO2. Многие думают что подобные колебания концентрации СО2 в воде приводят к таким же колебаниям pH что отрицательно сказывается на беспозвоночных, рыбах, и даже растениях. В некоторых случаях это может иметь место, но в природе в реках и озерах может быть до 20мг/л СО2 утром и только 5мг/л ночью, хотя он постоянно поступает из богатых СО2 грунтовых вод. Растения, беспозвоночные и рыбы прекрасно живут при таких резких ежедневных колебаниях СО2 в течение суток. Однако некоторые беспозвоночные и рыбы могут быть чувствительны к таким большим изменениям pH, так что перед установкой бродилки следует проверять в литературе их чувствительность к колебаниям pH. (3)
| Врезка 2Некоторые водные растения могут использовать бикарбнат (HCO3-) если недостаточно CO2. В воде с достаточной карбонатной щелочностью бикарбонат (HCO3-) присутствует в больших количествах при pH от 7 до 10 (см. Врезку 1). С другой стороны, когда pH выше 8 газообразного СО2 очень мало независимо от карбонатной щелочности, таким образом водные растения которые могут потреблять бикарбонат как источник неорганического углерода имеют большое конкурентное преимущество перед теми что используют только CO2. Потребление бикарбоната водными растениями сама по себе целая наука, но как это работает для большинства растений использующих бикарбонат могут объяснить две простые модели. Одна модель впервые предложенная Prins и Elzenga (1989) касается растений которые для использования бикарбоната имеют поляризованные листья. У этих растений протоны выходят на нижней стороне листа (abaxial side) что приводит к очень низкому pH вплоть до 4. здесь бикарбонат преобразуется в СО2 который далее диффундирует в листья где используется при фотосинтезе. Негативный заряд в форме hydroxil ions выбрасываются на верхней стороне листа (abaxialside) где pH поднимается выше 10. Иногда высокий pH приводит к выпадению на поверхности листьев карбоната кальция, придавая растениям беловатый вид. Хороший пример растений использующих бикарбонат это Elodea canadensis, Egeria densa и большинство видов прудовых быстрорастущих длинностебельных растений. | |
| При интенсивном фотосинтезе pH на поверхности листьев повышается и в некоторых случаях может привести к выпадению карбоната кальция. Здесь, биогенный карбонат кальция сформировался на листьях Анубиаса. | |
| Другие растения использующие бикарбонат не имеют поляризованных листьев, например некоторые виды Vallisneria. Они используют бикарбонат через листья перекачивая ионы и преобразуют его в СО2 уже внутри листьев. Независимо от модели, потребление бикарбоната энергоемкий процесс и даже эффективные потребители бикарбоната не производят энзимы если они не нужны. Так, в среде с изобилием СО2 эти потребители бикарбоната не могут использовать бикарбонат не пройдя период адаптации с низкой концентрацией СО2 в воде в течении которого производятся необходимые энзимы. Одним из самых важных энзимов для растений использующих бикарбонат является carbonic anhydrase который катализирует медленное формирование угольной кислоты из воды и СО2 и наоборот, что является критичным моментом при обратном переходе с потребления бикарбоната на потребление СO2 (см. Врезку 1). У водных растений есть несколько других способов компенсировать медленное растворение СО2 в воде. Один из них — использование C4-фотосинтеза который является очень распространенным типом фотосинтеза для наземных растений. Кукуруза наиболее известный тому пример. В C4-растениях производство кислорода пространственно отделен от процесса фиксации CO2. Такие растения могут фотосинтезировать при пониженных концентрациях СО2 потому что кислород в тканях хранится отдельно от Rubisco. Если вокруг Rubisco будет слишком много кислорода он становится очень малоэффективным потому что Rubisco преобразуется в oxyganase приводя к фотодыханию и потере органического углерода. Фотосинтез C4 был обнаружен только у одного вида водных растений (Hydrilla verticillata) и похоже там он работает без Kranz anatomy который всегда является характерным для наземных C4-растений. Другая стратегия которая может компенсировать медленное растворение СО2 это фиксация СО2 полученного в фазе ночного дыхания CAM-растениями. Здесь СО2 захватывается в malate ночью, а затем выпускается как СО2 когда есть свет. И наконец, некоторые водные растения приспособились использовать для фотосинтеза СО2 из донных отложений. Здесь СО2 диффундирует из донного осадка, где он всегда присутствует в высоких концентрациях в корни и через aerenchyma далее вверх к листьям, где фиксируется в процессе фотосинтеза. Ранее считали, что это может быть важным только для водных isoetids (Lobelia dortmanna, Littorella uniflora и некоторые виды Isoetes), но недавние исследования Andres Winkel из Freshwater Biological Laboratory показали, что СО2 полученный из донного осадка важен и для фотосинтеза Vallisneria americana. | |
| Эта модель показывает как работает потребление бикарбоната на поляризованных листьях. Фотоны выбрасываются из листьев и подкисляют abaxial (нижнюю) поверхность листа где бикарбонат преобразуется в CO2. Adxial (верхняя) сильно щелочная сторона листа часто приводит к выпадению на ней карбоната кальция. |
Различные известковые таблетки, которые попадая в аквариум растворяются и выделяют CO2, тоже могут использоваться как источник CO2. У нас не было личного опыта использования таких продуктов, но вы можете найти самые разные наблюдения в Интернет о положительном или нулевом эффекте внесения в аквариум с растениями таблеток карбоната кальция. Несколько лет назад был представлен CarboPlus. Он производит СО2 методом электролиза из твердого угольного блока и при хорошо буферизированной воде в аквариуме (карбонатная жесткость dKH8-12) работает довольно хорошо.
| Диаграмма показывающая различные элементы системы подачи СО2 с pH контроллером. CO2 хранится в жидком состоянии в газовом баллоне с электромагнитным клапаном контролируемым pH-метром. pH-электрод находящийся в аквариуме постоянно снимаек показания pH. Если растения потребляют СО2 pH поднимается, и pH-метр открывает клапан. СО2 подается в аквариум до тех пор, пока pH не достигнет заданного значения на pH-метре, что заставляет pH-метр закрыть клапан (диаграмма Dupla Aquaristick, Germany). |
Сжатый CO2 — наилучшая альтернатива методу брожения. Хранящийся в баллоне СО2 находится в жидком состоянии под давлением около 58 бар. СО2 можно подавать от разных баллонов которые не обязательно должны быть адаптированы к подаче газа в аквариум потому что СО2 используется и для приготовления газированной воды (напр. SodaStream), сварки, или для системы подачи пива из кегов. В принципе, все эти системы можно использовать для аквариума, но на практике нас ограничивает резьба на газовом редукторе. Самая простая система подачи СО2 от баллона состоит из газового баллона, понижающего газового редуктора с манометром и регулятором низкого давления соединенного с керамическим или механическим распылителем, или CO2-реактором. Часто дискутируют стоит ли отключать подачу СО2 на ночь. Как объяснялось выше, дыхание множества растений, беспозвоночных и рыб могут сглаживать колебания концентрации CO2, так что отключение подачи СО2 ночью преимущественно ставит своей целью избежать лишнего расхода СО2 когда растения не могут его использовать для фотосинтеза.
Более сложная система может включать электромагнитный клапан который отключает подачу газа ночью при помощи таймера. Самые сложные системы включают в себя pH-электрод и pH-метр который контролирует срабатывание электромагнитного клапана. Таким образом подача СО2 может контролироваться автоматически и включаться и выключаться в соответствии с заданным значением pH. Когда фотосинтез доминирует над дыханием, СО2 потребляется растениями и pH повышается. Когда pH достигнет значения выше заданного на pH-метре, pH-метр открывает электромагнитный клапан и СО2 подается в воду. Когда требуемая концентрация СО2 будет достигнута, pH упадет, и pH-метр даст сигнал электромагнитному вентилю выключить подачу CO2. Такая система экономит СО2 и поддерживает очень стабильный pH. Однако pH-электрод нужно регулярно калибровать чтобы предотвратить неправильное снятие показаний pH, что приводит к тому что концентрация СО2 будет очень далека от заданной (прим. перев.: выставленной на pH-метре).
В растительных нано-аквариумах для повышения концентрации СО2 использовали газированную воду (разумеется без лимона и сахара). Его не просто обслуживать и требуется время чтобы аквариум стабилизировался. Мы видели несколько примеров когда после слишком большой дозы газированной воды рыбы стояли у поверхности воды хватая ртом воздух с поверхности. Также, некоторые растения (напр. Криптокорины), могут быть чувствительными к резким изменениям pH, так что газированная вода как способ подачи СО2 должна использоваться с осторожностью. (4)
Недавно появились различные органические удобрения с углеродом. Мы тестировали два таких продукта на Hygrophyla carymbosa “Siamensis” (широко распространенное и популярно аквариумное растение потребляющее углерод только в форме CO2) и Egeria densa (еще одно распространенное аквариумное растение способное использовать бикарбонат) и наблюдали какого либо позитивного или негативного эффекта на фотосинтез измеренного в виде производства кислорода. Тем не менее, некоторые аквариумисты сообщали о положительном влиянии на рост растений при использовании органических источников углерода. Возможно требуется более детальное исследование для определения всех за и против этих продуктов.
| Врезка 3 Почему растениям в аквариуме нужен CO2? · CO2 один из трех компонентов фотосинтеза. Без СО2 растения не могут фотосинтезировать, следовательно это самый важный источник питания для растений. · При фотосинтезе СО2 фиксируется в богатых энергией органических соединениях которые используются для поддержания всего метаболизма. Некоторые органические соединения используются для роста, следовательно СО2 нужен растениям для формирования новых листьев и корней. Присутствует ли СО2 в аквариуме до его подачи в аквариум? · CO2 всегда присутствует в аквариуме, но его концентрация часто слишком низка, что очень ограничивает рост. · CO2 уже присутствующий в аквариуме поступает от дыхания растений, рыб и микроорганизмов. · Уровень СО2 будет максимальным перед включением света, и самым низким в конце периода освещения. Это происходит потому что растения используют накопленный CO2, но его недостаточно чтобы питать фотосинтез дольше чем несколько часов. Как подавать в аквариум CO2? · методом брожения · известковыми таблетками растворяющимися в кислоте · электролитическим методом · сжатый СО2 от баллонов (постоянная подача, или с pH-метром) Прим. перев.: еще один источник СО2 для растений и одновременно альгицид — глутаровый альдегид. Заметьте что соотношение между карбонатной жесткостью (dKH) и pH определяется концентрацией СО2 в воде. Например при падении pH с 8 до 7 в жесткой воде концентрация СО2 будет значительно больше, чем в мягкой. Какая рекомендуется концентрация CO2? · Без дополнительной подачи СО2 его уровень обычно составляет 5мг/л и даже минимальное увеличение приводит к заметному влиянию на растения. Мы рекомендуем 15-30мг/л. · Заметьте что СО2 сам по себе тоже влияет на pH. Чем больше СО2 в воде, тем ниже pH. Водные растения легко справляются с pH вплоть до 6, в то время как рыбы и беспозвоночные могут быть более чувствительны. | |
| Эта таблица демонстрирует соотношение между карбонатной жесткостью (dKH) и pH.Цифры показывают концентрацию СО2 в мг/л. Для растительного аквариума мы рекомендуем концентрацию 15-30мг/л. |
ЗаключениеCO2 вне всякого сомнения является самым важным среди всех питательных веществ для растений, и именно поэтому в разумных концентрациях он должен присутствовать в растительном аквариуме. В общем случае СО2 полученного биологическим путем от дыхания недостаточно для поддержания стабильного фотосинтеза водных растений использующих только CO2. Так что чтобы выращивать более сложные и требовательные растения потребуется какой либо способ подачи CO2. В растительном аквариуме мы рекомендуем уровень СО2 15-30мг/л, хотя меньшие значения для большинства растений тоже дадут положительный эффект. Уровень значительно выше 30мг/л может иметь отрицательные последствия для беспозвоночных и рыб, так что нужно регулярно контролировать концентрацию СО2 поддерживая здоровый и безопасный уровень. Попробуйте прямо сейчас и получайте удовольствие от процветания вашего аквариума!
Литература Bowes G (1987) Aquatic plant photosynthesis: strategies that enhance carbon gain. In RMM Crawford (ed) Plant life in amphibious habitats, pp 99-112 Madsen TV & Sand-Jensen K (1991) Photosynthetic carbon assimilation in aquatic macrophytes. Aquatic Botany 41: 5-40 Prins HBA & Elzenga JTM (1989) Bicarbonate utilization: function and mechanism. Aquatic Botany 34: 59-83.
Прим. переводчика: (1) Rubisco. Когда растения имеют доступ к большому количеству СО2 для его усвоения им требуется меньше рубиско и соответственно азота, но в случае временного уменьшения подачи СО2 (сбой в настройке баллонной системы, старая закваска в бродилке, плохая работа реактора и т.п.) растениям сразу же потребуется произвести больше рубиско и соответственно потребность в Азоте резко возрастет. По этой причине рекомендуется всегда поддерживать небольшой избыток NO3 по сравнению с PO4 (~1:15). Подробнее смотри в разделе Стабильность. (2) Индикатор СО2 (dropchecker) действительно не показывает концентрацию CO2, — только pH на который влияет множество других факторов кроме собственно СО2 (гуматы, жесткость воды, примеси, растворенная органика и пр.). Индикатор легко превратить в постоянный тестер именно концентрации CO2 используя калиброванный раствор с dKH=4.000 и индикаторное вещество бромотимол голубой (bromothymol blue). (3) Метод брожения не является таким же стабильным как подача СО2 от баллона, но совсем несложно минимизировать эти колебания и сделать подачу СО2 методом брожения простым и надежным методом. Для этого используют: 1 — две емкости вместо одной, 2 — подкормку дрожжей макро- и микроэлементами 3 — распыление механическим диффузором, 4 — стабилизацию температуры бродилки. Подробнее смотри в разделе метод брожения – лучшая практика. (4) Газированная вода. Для нано-аквариумов значительно проще и надежнее использовать относительно новый препарат Seachem Flourish Excel™ (глутаровый альдегид).
Двуокись углерода в карбонатной системе
Не вызывает сомнений, что CO2 существует в каждой природной воде в большей или меньшей концентрации. Двуокись углерода обладает очень хорошей растворимостью, которая ограничивается обменом с атмосферой. Растворенный CO2 переходит в угольную кислоту (H2CO3) в незначительном количестве (примерно 0,1-0,2%).
CO2+ H2O => H2CO3.
Даже если этот процесс выражен слабо, образование кислоты неизбежно приводит к снижению pH. Воды, обогащенные угольной кислотой, могут достигать значений pH около 5, а иногда бывают и ниже. При растворении двуокиси углерода в воде возрастает проводимость. Это происходит из-за образования ионов:
H2CO3+ H2O => H3O+ + HCO3–,
появляются ион гидроксония и гидрокарбонат-ион. Гидрокарбонат-ион вступает в соединения со щелочноземельными металлами, из которых самым важным является Ca(HCO3)2 (соль угольной кислоты) и существует в воде полностью диссоциированным, т.е. в виде катионов и анионов.
Соотношение углекислого газа и анионов угольной кислоты в воде в зависимости от pH (кривые для морской и пресной воды)
Гидрокарбонат кальция хорошо растворяется в воде. Именно это соединение образует временную жесткость. Гидрокарбонат содержит химически связанный CO2, который называется в соответствии с этим «связанной угольной кислотой». Количество гидрокарбоната кальция в водном растворе не изменяется, если имеется дополнительный CO2, или равновесный CO2, свободная углекислота.
Если такое же количество свободного CO2, как и Ca(HCO3)2 имеется в наличии, то вода находится в так называемом равновесии кальций – угольная кислота. Часто встречается вода, в которой растворено больше свободного CO2, чем это необходимо для поддержания равновесия «кальций – угольная кислота». Раствор в этом случае называется «свободной перенасыщенной кислотой». Эта угольная кислота химически активна, но для реакции необходимы соответствующие соединения.
Таким образом, к примеру, растворяется известняк (CaCO3), в результате чего снова повышается содержание гидрокарбоната кальция, и вода стремится к равновесию кальций – угольная кислота. Свободная избыточная угольная кислота растворяет пассивные слои в трубопроводах из металлов, разрушает также трубопроводы из меди и свинца, вследствие чего, с одной стороны, повреждаются водные коммуникации, с другой стороны, вода может обогащаться токсичными соединениями металлов. Если в воде недостаточно высокая концентрация свободной углекислоты, в осадок выпадает карбонат кальция (CaCO3). Нам он известен как известняк, который практически нерастворим в воде.
Превращения между гидрокарбонатом и карбонатом кальция выражаются следующим уравнением:
CO2 недостаток
(стрелка вправо)
Ca(HCO3)2 <=> CaCO3+ CO2+ H2O
CO2 избыток
(стрелка влево)
Оно отчетливо показывает, что переход от одного вида связи в другой всегда сопровождается также изменениями pH, Если при недостатке CO2 выпадает известняк, то должно повышаться значение pH. И наоборот, при избытке CO2 значение pH снижается. Различные виды связей CO2, с которыми мы здесь познакомились, таковы:
двуокись углерода = CO2;
угольная кислота = H2CO3;
гидрокарбонат = HCO3–, чаще в виде Ca(HCO3)2 и называется также бикарбонатом;
карбонат = CO32–, чаще всего в виде CaCO3
Эти формы частично могут существовать совместно в воде. От значения pH зависит, какая из них преобладает. В мягкой кислой воде с pH 6 примерно 80% двуокиси углерода будет присутствовать в виде CO2 или в виде угольной кислоты и только примерно 20% в виде гидрокарбоната.
При pH 7 соотношение становится другим – преобладает HCO3. При pH 8 – 9 HCO3– составляет свыше 90%, а HCO3 и карбонаты, например CaCO3 незначительно. В морской воде наблюдаются совсем другие закономерности. Граница между углекислотой и гидрокарбонатом только немного смешена влево, но значительно более сильное изменение отмечается между гидрокарбонатом и карбонатом. Это приводит к тому, что в оптимальной для аквариумов с морской водой pH-области (pH 8 – 8,5) практически не существует свободной угольной кислоты, но присутствует большое количество карбонатов.
Это для морских живых существ особенно важно. Кальциефильные организмы, прежде всего коралловые, находят в море оптимальные условия (достаточное количество извести). В частности, приповерхностная вода, которая смешивается с атмосферой, пересыщена карбонатом кальция, причем тем больше, чем больше температура воды. Чем холоднее вода, тем больше она может поглощать CO2. Поэтому диатомные организмы холодных морей образуют оболочки тела из кремниевой кислоты. Растворимость CO2 возрастает также с увеличением глубины, Вследствие этого в воде уменьшается количество карбонатов, поэтому столь популярные для аквариумов коралловые рифы расположены только в теплых поверхностных водах тропиков.
Применение
В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке под кодом Е290
, а также в качестве разрыхлителя теста.
Жидкая углекислота (жидкая пищевая углекислота) — сжиженный углекислый газ, хранящийся под высоким давлением (
65-70 Атм). Бесцветная жидкость. При выпуске жидкой углекислоты из баллона в атмосферу часть её испаряется, а другая часть образует хлопья сухого льда.
Баллоны с жидкой углекислотой широко применяются в качестве огнетушителей и для производства газированной воды и лимонада. Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород который в свою очередь и входит в заимодействие с жидким металом окисляя его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.
Твёрдая углекислота — сухой лёд — используется в качестве хладагента в ледниках и морозильных установках.
