Со2 реакции. Физические свойства углекислоты. Искусственные источники углекислого газа

Диоксид углерода (двуокись углерода, углекислый газ, CO 2) формируется путем взаимодействия двух элементов – кислорода и углерода. Диоксид углерода образуется при сжигании углеводородных соединений или угля, в результате ферментации жидкостей, а также в качестве продукта дыхания животных и человека. В атмосфере он содержится в небольших количествах. Растения поглощают двуокись углерода из атмосферы и превращают его в органические компоненты. При исчезновении этого газа из атмосферы на Земле практически не будет дождей и станет заметно прохладнее.

Свойства диоксида углерода

Диоксид углерода тяжелее воздуха. Он замерзает при температуре -78 °C. При замерзании из двуокиси углерода образуется снег. В виде раствора углекислый газ образует угольную кислоту. Благодаря некоторым свойствам диоксид углерода иногда называют «одеялом» Земли. Он с легкостью пропускает ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи излучаются с поверхности диоксида углерода в космическое пространство.

Углекислый газ выпускают в жидкой форме при низкой температуре, в жидкой форме при высоком давлении и в газообразной форме. Газообразную форму двуокиси углерода получают из отбросных газов при производстве спиртов, аммиака, а также в результате сжигания топлива. Газообразный диоксид углерода по свойствам представляет собой нетоксичный и невзрывоопасный газ, без запаха и цвета. В жидкой форме двуокись углерода – жидкость без цвета и запаха. При содержании более 5% углекислый газ накапливается в районе пола в слабо проветриваемых помещениях. Снижение объемной доли кислорода в воздухе может привести к кислородной недостаточности и удушью. Эмбриологи установили, что клеткам человека и животных двуокиси углерода необходимо около 7%, а кислорода – всего 2%. Двуокись углерода – транквилизатор нервной системы и прекрасное анестезирующее средство. Газ в организме человека участвует в синтезе аминокислот, оказывает сосудорасширяющее действие. Недостаток углекислого газа в крови приводит к спазму сосудов и гладкой мускулатуры всех органов, к увеличению секреции в носовых ходах, бронхах и к развитию полипов и аденоидов, к уплотнению мембран из-за отложения холестерина.

Получение диоксида углерода

Существует несколько способов получения диоксида углерода. В промышленности двуокись углерода получают из доломита, известняка – продуктов разложения природных карбонатов, а также из печных газов. Газовую смесь промывают раствором карбоната калия. Смесь поглощает двуокись углерода и превращается в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната нагревают и он, разлагаясь, высвобождает углекислоту. При промышленном методе получения диоксид углерода закачивается в баллоны.

В лабораториях получение диоксида углерода основывается на взаимодействии гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами.

Области применения диоксида углерода

В повседневной практике двуокись углерода используют достаточно часто. В пищевой индустрии углекислый газ используют в качестве разрыхлителя теста, а также в качестве консерванта. Его обозначают на упаковке продукта под кодом Е290. Свойства диоксида углерода также используют при производстве газированной воды.

Биохимики выяснили, что для повышения урожайности различных культур весьма эффективно удобрять воздух углекислым газом. Однако данный способ удобрения можно применять только в оранжереях. В сельском хозяйстве газ применяют для создания искусственного дождя. При нейтрализации щелочной среды двуокись углерода заменяет сильнодействующие минеральные кислоты. В овощехранилищах углекислый газ применяют для создания газовой среды.

В парфюмерной промышленности двуокись углерода применяют при изготовлении духов. В медицине углекислый газ используют для антисептического воздействия при проведении открытых операций.

При охлаждении углекислый газ превращается в «сухой лед». Сжиженный диоксид углерода расфасовывают в баллоны и отправляют потребителям. Углекислый газ в виде «сухого льда» используют для сохранения пищевых продуктов. Такой лед при нагревании испаряется без остатка.

Углекислый газ используют как активную среду при сварке проволокой. При сварке двуокись углерода разлагается на кислород и угарный газ. Кислород вступает во взаимодействие с жидким металлом и окисляет его.

В авиамоделировании двуокись углерода используется как источник энергии для двигателей. Двуокись углерода в баллончиках используется в пневматическом оружии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Двуокись углерода (двуокись углерода, карбоновый ангидрид, диоксид углерода) - окись углерода (IV).

Формула представляет собой CO2. Молярная масса - 44 г / моль.

Химические свойства двуокиси углерода

Углекислый газ относится к классу оксидов кислот, то есть при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется углем. Карбоновая кислота химически нестабильна и во время образования она немедленно разлагается на ее компоненты, то есть реакция взаимодействия двуокиси углерода с водой обратима:

CO2 + H2O ↔ CO2 × H2O (раствор) ↔ H2CO3.

При нагревании углекислый газ разлагается на монооксид углерода и кислород:

2CO2 = 2CO + O2.

Как и все кислотные оксиды, двуокись углерода характеризуется реакциями взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:

CaO + CO2 = CaCO3;

Al2O3 + 3CO2 = Al2 (CO3) 3;

CO2 + NaOH (разбавленный) = NaHCO3;

CO2 + 2NaOH (конц) = Na2CO3 + H2O.

Углекислый газ не поддерживает горение, в нем горят только активные металлы:

CO2 + 2Mg = C + 2MgO (t ^ {\ circ});

CO2 + 2Ca = C + 2CaO (t ^ {\ circ}).

Двуокись углерода реагирует с простыми веществами, такими как водород и углерод:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (t ^ {\ circ}, kat = Cu2O);

CO2 + C = 2CO (t ^ {\ circ}).

Когда диоксид углерода взаимодействует с перекисями активных металлов, образуются карбонаты и выделяется кислород:

2CO2 + 2Na2O2 = 2Na2CO3 + O2.

Качественная реакция на углекислый газ представляет собой реакцию его взаимодействия с известковой водой (молоком), то есть с гидроксидом кальция, в котором образуется белый осадок - карбонат кальция:

CO2 + Ca (OH) 2 = CaCO3 ↓ + H2O.

Физические свойства двуокиси углерода

Двуокись углерода представляет собой газообразное вещество без цвета или запаха. Тяжелее воздуха. Термостойкость. При сжатии и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое состояние. Двуокись углерода в твердом состоянии агрегации называется «сухой лед» и легко сублимируется при комнатной температуре. Двуокись углерода плохо растворяется в воде, частично реагирует с ней. Плотность - 1,977 г / л.

Производство и использование диоксида углерода

Выделяют промышленные и лабораторные методы производства двуокиси углерода. Так, в промышленности он получается путем сжигания известняка (1) и в лаборатории под действием сильных кислот на карбонатных солях (2):

CaCO3 = CaO + CO2 (t ^ {\ circ}) (1);

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O (2).

Углекислый газ используется в пищевых продуктах (карбонизация лимонада), химическая (контроль температуры при производстве синтетических волокон), металлургический (защита окружающей среды, например, осаждение коричневого газа) и другие отрасли.

Примеры решения проблем

От количества углекислого газа в кровяном русле человека зависит нормальное функционирование всех систем жизнедеятельности. Диоксид углерода повышает сопротивляемость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, участвует в обмене биологически активных веществ. При физических и интеллектуальных нагрузках углекислый газ помогает поддерживать равновесие организма. Но значительное увеличение этого химического соединения в окружающей атмосфере ухудшает самочувствие человека. Вред и польза углекислого газа для существования жизни на Земле еще не до конца изучены.

Характерные особенности углекислого газа

Двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислый газ - газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Вещество в 1, 5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04 %. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления - соединение сразу переходит в твердое состояние, известное как «сухой лед». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для ее транспортировки и длительного хранения.

Интересный факт

Углекислый газ не становится преградой для ультрафиолетовых лучей, которые поступают в атмосферу от Солнца. А вот инфракрасное излучение Земли абсорбируется углеродным ангидридом. Это и становится причиной глобального потепления с момента образования огромного количества промышленных производств.

В течение суток организм человека поглощает и метаболизирует около 1 кг двуокиси углерода. Она принимает активное участие в обмене веществ, который происходит в мягких, костных, суставных тканях, а затем попадает в венозное русло. С потоком крови углекислый газ поступает в легкие и покидает организм при каждом выдохе.

Химическое вещество находится в теле человека преимущественно в венозной системе. Капиллярная сеть легочных структур и артериальная кровь содержат небольшую концентрацию углекислого газа. В медицине используется термин «парциальное давление», характеризующий концентрационное соотношение соединения по отношению ко всему объему крови.

Терапевтические свойства двуокиси углерода

Проникновение углекислого газа в организм вызывает у человека дыхательный рефлекс. Повышение давления химического соединения провоцирует тонкие нервные окончания посылать импульсы к рецепторам головного или (и) спинного мозга. Именно так происходят процессы вдоха и выдоха. Если уровень углекислоты в крови начинает повышаться, то легкие ускоряют его выделение из тела.

Интересный факт

Ученые доказали, что значительная продолжительность жизни у людей, проживающих в высокогорье, непосредственно связана с большим содержанием углекислого газа в воздухе. Он повышает иммунитет, нормализует обменные процессы, укрепляет сердечно-сосудистую систему.

В организме человека двуокись углерода является одним из важнейших регуляторов, выступая в качестве основного продукта наравне с молекулярным кислородом. Роль углекислого газа в процессе жизнедеятельности человека сложно переоценить. К основным функциональным особенностям вещества можно отнести следующие:

• обладает способностями вызывать стойкое расширение крупных сосудов и капилляров;
• способно оказывать седативное влияние на центральную нервную системы, провоцируя анестезирующее действие;
• принимает участие в продуцировании важнейших аминокислот;
• возбуждает дыхательный центр при увеличении концентрации в кровяном русле.

Если в организме ощущается острый дефицит углекислого газа, то все системы мобилизуются и повышают свою функциональную активность. Все процессы в организме направлены на восполнение запасов двуокиси углерода в тканях и кровяном русле:

• сосуды сужаются, развивается бронхоспазм гладкой мускулатуры верхних и нижних дыхательных путей, а также кровеносных сосудов;
• бронхи, бронхиолы, структурные отделы легких секретируют повышенной количество слизи;
• снижается проницаемость крупных и мелких кровеносных сосудов, капилляров;
• на клеточных мембранах начинает откладываться холестерин, что вызывает их уплотнение и тканевой склероз.

Совокупность всех этих патологических факторов в сочетании с малым поступлением молекулярного кислорода приводит к гипоксии тканей и снижению скорости течения крови в венах. Особенно остро ощущается кислородное голодание в клетках головного мозга, они начинают разрушаться. Нарушается регуляция всех систем жизнедеятельности: отекают мозг и легкие, снижается ритм сердечных сокращений. При отсутствии врачебного вмешательства человек может умереть.

Где используется углекислый газ

Углекислый газ находится не только в теле человека и в окружающей атмосфере. Многие промышленные производства активно используют химическое вещество на различных стадиях технологических процессов. Его применяют в качестве:

• стабилизатора;
• катализатора;
• первичного или вторичного сырья.

Интересный факт

Двуокись кислорода способствует преобразованию во вкусное терпкое домашнее вино. При брожении сахара, содержащегося в ягодах, выделяется углекислый газ. Он придает напитку игристость, позволяет ощутить лопающиеся пузырьки во рту.
На упаковке продуктов питания двуокись углерода скрывается под кодом Е290. Как правило, она используется в качестве консерванта для длительного хранения. При выпечке вкусных кексов или пирогов многие хозяйки добавляют в тесто разрыхлитель. В процессе приготовления образуются пузырьки воздуха, делающие сдобу пышной, мягкой. Это и есть углекислый газ - результат химической реакции между гидрокарбонатом натрия и пищевой кислотой. Любители аквариумных рыбок используют бесцветный газ в качестве активатора роста водных растений, а производители автоматических углекислотных установок помещают его в огнетушители.

Вред угольного ангидрида

Дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха - чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, угольный ангидрид раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток.

Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление , так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы.

Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с такими патологиями:

• острый, хронический, катаральный гастрит;
• язва желудка и двенадцатиперстной кишки;
• дуоденит;
• снижение перистальтики кишечника;
• доброкачественные и злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта.

Следует учесть, что по статистическим данным ВОЗ более половины жителей планеты Земля страдают от той или иной формы гастрита. Основные симптомы заболевания желудка: кислая отрыжка, изжога, вздутие живота и боли в эпигастральной области.

Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабогазированной минеральной воде.

Специалисты советуют исключить лимонады из повседневного рациона. После проведенных статистических исследований у людей, которые длительно пили сладкую воду с углекислым газом, были выявлены такие заболевания:

• кариес;
• эндокринные нарушения;
• повышенная хрупкость костной ткани;
• жировая дистрофия печени;
• образование конкрементов в мочевом пузыре и почках;
• нарушения метаболизма углеводов.

Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.

Польза углекислого газа

Оздоровляющее действие двуокиси углерода на организм человека широко используется в медицине в терапии различных заболеваний. Так, в последнее время пользуются огромной популярностью сухие углекислые ванны. Процедура заключается в воздействии углекислого газа на тело человека при отсутствии посторонних факторов: давления воды и температуры окружающей среды.

Косметические салоны и лечебные учреждения предлагают клиентам проведение необычных врачебных манипуляций:

• пневмопунктуру;
• карбокситерапию.

Под сложными терминами скрываются газовые уколы или инъекции углекислым газом. Такие процедуры можно отнести как к разновидностям мезотерапии, так и к методикам реабилитации после перенесенных тяжелых заболеваний.

Перед проведением этих процедур следует посетить лечащего врача для консультации и тщательной диагностики. Как и все методики терапии, уколы с углекислым газом имеют противопоказания к применению.

Полезные свойства двуокиси углерода используются в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, артериальной гипертензии. А сухие ванны снижают содержание свободных радикалов в организме, обладают омолаживающим действием. Углекислый газ увеличивает сопротивляемость человека вирусным и бактериальным инфекциям, укрепляет иммунитет, повышает жизненный тонус.

Многим аквариумистам известны рекомендации по использованию для размножения рыб воды, более мягкой и кислой, по сравнению с аквариумной. Удобно пользоваться для этой цели дистиллированной водой, мягкой и слабокислой, смешивая ее с водой из аквариума. Но оказывается, что при этом жесткость исходной воды уменьшается пропорционально разведению, а рН практически не изменяется. Свойство сохранять значение показателя рН независимо от степени разведения, называется буферностью. В этой статье мы познакомимся с основными компонентами буферных систем аквариумной воды: кислотностью воды - рН , содержанием углекислого газа - СО 2 , карбонатной «жесткостью» - dКН (эта величина показывает содержание в воде гидрокарбонат-ионов НСО 3 - ; в рыбохозяйственной гидрохимии этот параметр называют щелочностью), общей жесткостью – dGН (для упрощения принимается, что ее составляют только ионы кальция – Са ++ ). Обсудим их влияние на химический состав природной и аквариумной воды, собственно буферные свойства, а также механизм воздействия рассматриваемых параметров на организм рыб. Большинство химических реакций, рассматриваемых ниже, являются обратимыми, поэтому вначале важно познакомиться с химическими свойствами обратимых реакций; это удобно сделать на примере воды и показателя рН.

• 6. СО 2 и физиология дыхания аквариумных рыб
• 7. Мини-практикум
• 8. Использованная литература

1. О ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЯХ, ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ И pН

Вода является хотя и слабым, но все же электролитом, т. е. способна к диссоциации, описываемой уравнением

Н 2 О ↔Н + +ОН -

Этот процесс обратим, т.е.

Н + +ОН - ↔Н 2 О

C химической точки зрения ион водорода Н + всегда является кислотой. Ионы, способные связывать, нейтрализовывать кислоту (Н + ), являются основаниями. В нашем примере это – гидроксил-ионы (ОН - ), но в аквариумной практике, как будет показано ниже, доминирующим основанием является гидрокрабонат-ион НСО 3 - , ион карбонатной «жесткости». Обе реакции протекают с вполне измеримыми скоростями, определяемыми концентрацией: скорости химических реакций пропорциональны произведению концентраций реагирующих веществ. Так для обратной реакции диссоциации воды Н + +ОН - >Н 2 О ее скорость выразится следующим образом:

V обр = К обр [Н + ]

К – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции .
-квадратные скобки обозначают молярную концентрацию вещества , т.е. количество молей вещества в 1 литре раствора. Моль можно определить как вес в граммах (или объем в литрах - для газов) 6 10 23 частиц (молекул, ионов) вещества - число Авогадро. Число, показывающее вес 6 10 23 частиц в граммах равно числу, показывающему вес одной молекулы в дальтонах.

Так, например, выражение обозначает молярную концентрацию водного раствора … воды. Молекулярный вес воды составляет 18 дальтон (два атома водорода по 1д, плюс атом кислорода 16д), соответственно 1 моль (1М) Н 2 О – 18 грамм. Тогда 1 литр (1000 грамм) воды содержит 1000:18=55,56 молей воды, т.е. =55,56М=const .

Поскольку диссоциация – процесс обратимый (Н 2 О- Н + +ОН - ), то при условии равенства скоростей прямой и обратной реакции (V пр =V обр ), наступает состояние химического равновесия, при котором продукты реакции и реагирующие вещества находятся в постоянных и определенных соотношениях: К пр = K обр . Если константы объединить в одной части уравнения, а реагенты в другой, то получим

К пр /К обр = / = К

где К также является постоянной величиной и называется константой равновесия .

Последнее уравнение является математическим выражением т.н. закона действия масс: в состоянии химического равновесия отношение произведений равновесных концентраций реагентов является постоянной величиной. Константа равновесия показывает, при каких пропорциях реагентов наступает химическое равновесие. Зная значение К , можно предсказать направление и глубину протекания химической реакции. Если К>1 , реакция протекает в прямом направлении, если К<1 – в обратном. Используя константу равновесия, с химическими уравнениями можно обращаться как с алгебраическими и производить соответствующие вычисления. Точность их не очень высока, но они относительно просты и наглядны, что позволяет глубже понять смысл рассматриваемых процессов. Численное значение константы равновесия индивидуально и постоянно для каждой обратимой химической реакции. Оно определяется экспериментально, и эти значения приводятся в химических справочниках.

В нашем примере К = / = 1,8 10 -16 . Поскольку =55,56 =const , то ее можно объединить с К в левой части уравнения. Тогда:

К==(1,8 10 -16) (55,56)=1 10 -14 = const. = К w

Преобразованное в такую форму уравнение диссоциации воды называется ионным произведением воды и обозначается К w . Значение К w остается постоянным при любых значениях концентраций Н + и ОН - , т.е. с увеличением концентрации ионов водорода Н + , уменьшается концентрация ионов гидроксила – ОH - и наоборот. Так, например, если = 10 -6 , то = K w / = (10 -14)/(10 -6)=10 -8 . Но К w = (10 -6) . (10 -8) =10 -14 = const . Из ионного произведения воды следует, что в состоянии равновесия = = √К w = √1 10 -14 = 10 -7 М .

Однозначность связи между концентрацией ионов водорода и гидроксила в водном растворе позволяет для характеристики кислотности или щелoчности среды пользоваться одной из этих величин. Принято пользоваться величинoй концентрации ионов водорода Н + . Поскольку величинами порядка 10 -7 оперировавть неудобно, в 1909 году шведский химик К.Серензен предложил использовать для этой цели отрицательный логарифм концентрации водородных ионов Н + и обозначил его рН , от лат. potentia hydrogeni – сила водорода: рН = -lg . Тогда выражение =10 - 7 можно записать коротко как pH=7 . Т.к. предложенный параметр не имеет единиц измерения, он называется показателем (рН ). Удобство предложения Серензона вроде бы очевидно, но он подвергался критике современников за непривычную обратную зависимость между концентрацией ионов водорода Н + и значением показателя рН : с увеличением концентрации Н + , т.е. с увеличением кислотности раствора, значение показателя рН уменьшается. Из ионного произведения воды следует, что показатель рН может принимать значения от 0 до 14 с точкой нейтральности рН=7 . Органы вкуса человека начинают различать кислый вкус со значения показателя рН=3,5 и ниже.

Для аквариумистики актуален диапазон рН 4,5-9,5 (ниже будет рассматриваться только он) и традиционно принята следующая шкала с непостоянной ценой деления:

• рН<6 -кислая
• рН 6,0-6,5 – слабокислая
• рН 6,5-6,8 – очень слабокислая
• рН 6,8-7,2 –нейтральная

рН 7,2-7,5 – очень слабощелочная

рН 7,5-8,0 - слабощелочная

рН>8 – щелочная

На практике в большинстве случаев гораздо информативнее оказывается более грубая шкала с постоянной ценой деления:

• рН=5±0,5 – кислая
• рН=6±0,5 – слабокислая
• рН=7±0,5 – нейтральная
• рН=8±0,5 – слабощелочная
• рН>8,5 – щелочная

Среды с рН<4,5 и рН>9,5 являются биологически агрессивными, и их следует считать непригодными для жизни обитателей аквариума. Поскольку показатель рН является логарифмической величиной, то изменение рН на 1 единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д.. Изменение концентрации Н + вдвое приводит к изменению значения показателя рН лишь на 0,3 единицы.

Многие аквариумные рыбы без особого вреда для здоровья переносят и 100-кратные (т.е. на 2 единицы рН ) изменения кислотности воды. Разводчики харациновых и других т.н. мягководных рыб, перекидывают производителей из общего аквариума (часто со слабощелочной водой) в нерестовик (со слабокислой) и обратно без промежуточной адаптации. Практика также показывает, что большинство обитателей биотопов с кислой водой в неволе лучше чувствует себя в воде с рН 7,0-8,0 . С. Спотт считает рН 7,1-7,8 оптимальным для пресноводного аквариума.

Дистиллированная вода имеет рН 5,5–6,0 , а не ожидаемое рН=7 . Чтобы разобраться с этим парадоксом, необходимо познакомиться с «благородным семейством»: СО 2 и его производными.

2. СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО 2 , что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО 2 водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО 2 (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО 2 значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.

В отличие от кислорода и азота, углекислый газ - СО 2 , является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):

СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3 .

В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что = const :

СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - ; К 1 = [Н + ]/ = 4 10 -7
НСО 3 - =Н + +СО 3 -- ; К 2 = / = 5,6 10 -11

здесь К 1 и К 2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.

Ионы НСО 3 - называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО 3 -- - карбонатами. Порядок величин К 1 и К 2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К 1 <1 и К 2 <1 ), а сравнение величин К 1 и К 2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К 1 >К 2 ).

Из уравнения К 1 можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н + :

= K 1 /

Если выразить концентрацию Н + через рН , как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:

рН = рК 1 – lg/
или удобнее
рН = рК 1 + lg/

где, по аналогии с рН , рК 1 = -lgК 1 =-lg4 10 -7 = 6,4 = const . Тогда pH=6,4 + lg/ . Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО 2 -системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций / , а не наоборот.

Поскольку содержание неизвестно, для вычисления концентрации Н + в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой = √K 1 . Тогда рН = -lg√K 1 . Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН , вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО 2 в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО 2 весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО 2 выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО 2 – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:

= x 10 -3 /22,4 = y 10 -3 /44

где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО 2 . Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3 10 -5 М СО 2 , или 0,03mM. Тогда

рН = -lg√K 1 = -lg√(4 10 -7)(3 10 -5) = -lg√12 10 -12 = -lg(3,5 10 -6) = 5,5

что вполне согласуется с измеряемыми значениями.

Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO 3 - ]/[СО 2 ] . Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/100 рН = 4,5 , что можно считать нижним пределом для СО 2 -системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/10 , рН = 5,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1 , или [НСО 3 - ] = [СО 2 ] , рН = 6,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 10 , рН = 7,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] =100 , рН = 8,5 . Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.

3. ПРИРОДНАЯ ВОДА И УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ

В природе атмосферная влага, насыщаясь СО 2 воздуха и выпадая с осадками, фильтруется через геологическую кору выветривания. Принято считать, что там она, взаимодействуя с минеральной частью коры выветривания, обогащается т.н. типоморфными ионами: Ca ++ , Mg ++ , Na + , SO 4 -- , Сl - и формирует свой химический состав.

Однако работами В.И. Вернадского и Б.Б. Полынова показано, что химический состав поверхностных и грунтовых вод регионов с влажным и умеренно влажным климатом формирует в первую очередь почва. Влияние же коры выветривания связано с ее геологическим возрастом, т.е. со степенью выщелоченности. Разлагающиеся растительные остатки поставляют в воду СО 2 , НСО 3 - и зольные элементы в пропорции, соответствующей их содержанию в живом растительном веществе: Cа>Na>Mg . Любопытно, что практически во всем мире питьевая вода, используемая и в аквриумистике, в качестве доминирующего аниона содержит гидрокарбонат-ион НСО 3 - , а из катионов – Ca ++ , Na + , Mg ++ , нередко с некоторой долей Fe . А поверхностные воды влажных тропиков вообще удивительно однообразны по химическому составу, отличаясь лишь степенью разведения. Жесткость таких вод крайне редко достигает значений (8 ° dGH ), удерживаясь обычно на уровне до 4 °dGН . Ввиду того, что в таких водах = , они имеют слабокислую реакцию и значение показателя рН 6,0-6,5 . Обилие листового опада и активно идущее его разрушение при большом количестве осадков могут приводить к весьма высокому содержанию в таких водах СО 2 и гумусовых веществ (фульвокислот) при почти полном отсутствии зольных элементов. Таковы т.н. «черные воды» Амазонии, в которых значение показателя рН может опускаться до 4,5 и дополнительно удерживаться т.н. гуматным буфером.

В засушливых и бедных растительностью регионах на формирование ионного состава поверхностных вод заметное влияние оказывает геологический возраст горных пород, слагающих кору выветривания и их химический состав. В них рН и пропорции типоморфных ионов будут отличаться от приведенных выше. В результате формируются воды с заметным содержанием SО 4 - и Сl - , а из катионов могут преобладать Nа + с заметной долей Mg ++ . Возрастает и общее содержание солей – минерализация. В зависимости от содержания гидрокарбонатов, значение показателя рН таких вод колеблется в среднем от рН 7±0,5 до рН 8±0,5 , а жесткость всегда выше 10 °dGH . В стабильно щелочных водах, при рН>9 , основными катионами всегда будут Mg ++ и Na + с заметным содержанием калия, поскольку Са ++ осаждается в форме известняка. В этом плане особенно интересны воды Великой Африканской рифтовой долины, которая характеризуется т.н. содовым засолением. При этом даже воды таких гигантов, как озера Виктория, Малави и Танганьика отличаются повышенной минерализацией и таким высоким содержанием гидрокарбонатов, что карбонатная «жесткость» в их водах превышает жесткость общую: dKH>dGH.

СО 2 + Н 2 О↔Н + +НСО 3 - ↔2Н + + СО 3 --

В тех регионах, где кора выветривания молодая и содержит известняк (СаСО 3 ), углекислотное равновесие выражается уравнением

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Cа ++ + 2НСО 3 -

Применив к этому уравнению закон действия масс (см. выше) и приняв во внимание, что =const и =const (твердая фаза), получаем:

2 / = К СО2

где К СО2 – константа углекислотного равновесия.

Если концентрации действующих веществ выражены в миллимолях (mM,10 -3 М), то К СО2 = 34,3. Из уравнения К СО2 видна неустойчивость гидрокарбонатов: в отсутствие СО 2 , т.е. при =0 , уравнение не имеет смысла. При отсутствии углекислого газа гидрокарбонаты разлагаются до СО 2 и подщелачивают воду: НСО 3 - →ОН - +СО 2 . Содержание свободной СО 2 (для «неживой» воды весьма незначительное), которое обеспечивает устойчивость данной концентрации гидрокарбонатов при неизменном рН , называется равновесной углекислотой - р . Она связана как с содержанием углекислого газа в воздухе так и с dКН воды: с ростом dКН увеличивается и количество [СО 2 ] р . Содержание СО 2 в природных водах как правило близко к равновесной и именно эта их особенность, а не значения dKH , dGН и рН чаще всего отличает состояние природных вод от аквариумной воды. Решив уравнение К СО2 относительно СО 2 , можно определить концентрацию равновесной углекислоты:

р = 2 /К СО2

Поскольку в пресноводной аквариумистике понятия общей жесткости, карбонатной «жесткости» и кислотности являются культовыми, то интересно, что уравнения:

К 1 = /
и
К СО2 = 2 /

объединяют их в одну систему. Разделив К СО2 на К 1 , получим обобщенное уравнение:

К СО2 /К 1 =/

Напомним, что и рН объединяет обратнопропорциональная зависимость. Тогда последнее уравнение показывает, что параметры: dGH , dKH и рН связаны прямопропорционально. Это значит, что в состоянии, близком к газовому равновесию, увеличение концентрации одного компонента приведет к увеличению концентрации остальных. Данное свойство хорошо заметно при сравнении химического состава природных вод разных регионов: более жесткие воды отличаются более высокими значениями рН и dКН .

Для рыб оптимальное содержание СО 2 составляет 1–5мг/л. Концентрации более 15мг/л опасны для здоровья многих видов аквариумных рыб (см. ниже).

Таким образом, с точки зрения углекислотного равновесия, содержание СО 2 в природных водах всегда близко к р .

4. ОБ АКВАРИУМНОЙ ВОДЕ И ПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТВОРИМОСТИ

Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО 2 в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО 2 -теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – общ , значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – общ > р . Это превышение называется неравновесной углекислотой – нер . Тогда

нер = общ – р

Обе формы углекислоты – и равновесная и неравновесная, являются не измеряемыми, а только расчетными параметрами. Именно неравновесный углекислый газ обеспечивает активный фотосинтез водных растений и с другой стороны, может создавать проблемы при содержании отдельных видов рыб. В хорошо сбалансированном аквариуме естественные суточные колебания содержания углекислого газа не приводят к падению его концентрации ниже р и не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5 р . Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5 р , динамика заявленных компонентов СО 2 -системы – dGH , dKH и рН , будет сильно отличаться от природной: общая жесткость (dGH ) в такой ситуации возрастает на фоне падения значений рН и dКН . Именно такая ситуация в корне может отличать аквариумную воду от природной. Происходит повышение dGH в результате растворения известняка грунта. В такой воде могут затрудняться жизненно важные процессы газообмена в организме рыб, в частности – выведение СО 2 , а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО 3 скелета жестких кораллов, в том числе на месте травмы, что может приводить к отслоению тела полипа от скелета и гибели животного при благополучии аквариума по другим параметрам.

При обилии водных растений, на свету возможна ситуация, когда общ <р . В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО 3 , особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать нер < 3 – 5 мг/л . Последнее неравенство также характерно для морских вод коралловых рифов. В океанологии данная ситуация описывается т.н. индексом насыщенности вод карбонатом кальция. В такой обстановке фотосинтез симбионтных зооксантелл в телах коралловых полипов еще больше усиливает приведенное неравенство, что в итоге приводит к отложению СаСО 3 и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО 3 , познакомимся с химией этого процесса подробнее.

Как известно, осаждение из раствора кристаллов любого вещества начинается при его т.н. насыщенных концентрациях, когда вода больше не способна вмещать в себе это вещество. Водный раствор над осадком (твердой фазой) всегда будет насыщен ионами вещества, независимо от его растворимости и будет находиться в состоянии химического равновесия с твердой фазой. Для известняка это выразится уравнением: СаСО 3(тв.) =Са ++ +СО 3 -- (р-р) . Применив закон действия масс, получим: (р-р) / (тв.) =К . Поскольку (тв.) =const (твердая фаза), то тогда (р-р) =К . Т.к. последнее уравнение характеризует способность вещества растворяться, то такое произведение насыщенных концентраций ионов трудно растворимых веществ назвали произведением растворимости - ПР (ср. с ионным произведением воды К w ).

ПР СаСО3 = = 5 10 -9 . Как и ионное произведение воды, ПР СаСО3 остается постоянным, независимо от изменения концентраций ионов кальция и карбонатов. Тогда при наличии в аквариумном грунте известняка, в воде всегда будут присутствовать карбонат-ионы в количестве, определяемом ПР СаСО3 и общей жесткостью:

= ПР СаСО3 /

В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:

СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О=2НСО 3 -

которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО 3 -- ] . В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО 3 -- из СаСО 3 , т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - , смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО 3 -- +Н + =НСО 3 - . Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР СаСО3 , нейтрализуют кислоту (Н + ), образующуюся при растворении СО 2 , в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор:

5. КАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА

Растворы называют буферными, если они обладают двумя свойствами:

А: Значение показателя рН растворов не зависит от их концентрации, или от степени их разведения.

Б: При добавлении кислоты (Н + ), или щелочи (ОН - ), величина их показателя рН мало изменяется, пока концентрация одного из компонентов буферного раствора не изменится более, чем наполовину.

Указанными свойствами обладают растворы, состоящие из слабой кислоты и ее соли. В аквариумной практике такой кислотой является углекислота, а ее доминирующей солью – гидрокарбонат кальция – Са(НСО 3) 2 . С другой стороны, повышение содержания СО 2 выше равновесного эквивалентно добавлению в воду кислоты - Н + , а понижение его концентрации ниже равновесного – равносильно добавлению щелочи - ОН - (разложение гидрокарбонатов - см. выше). Количество кислоты или щелочи, которое необходимо внести в буферный раствор (аквариумную воду), чтобы значение показателя рН изменилось на 1 единицу, называется буферной емкостью. Отсюда следует, что рН аквариумной воды начинает изменяться раньше, чем исчерпывается ее буферная емкость, но по исчерпании буферной емкости, рН изменяется уже эквивалентно количеству внесенной кислоты, или щелочи. В основе работы буферной системы лежит т.н. принцип Ле Шателье: химическое равновесие всегда смещается в сторону, противоположную приложенному воздействию. Рассмотрим свойства А и Б буферных систем.

А. Независимость рН буферных растворов от их концентрации выводится из уравнения Хендерсона-Хассельбальха: рН = рК 1 +lg/ . Тогда при разных концентрациях НСО 3 - и СО 2 их отношение / может быть неизменным. Так, например, / = 20/8 = 10/4 = 5/2 = 2,5/1 = 0,5/0,2 = 2,5 , - т.е. разные воды, отличающиеся значением карбонатной «жесткости» dКН и содержанием СО 2 , но содержащие их в одинаковой пропорции, будут иметь одинаковое значение показателя рН (см.также гл.2). Уверенно отличаться такие воды будут по своей буферной емкости: чем выше концентрация компонентов буферной системы, тем больше ее буферная емкость и наоборот.

Аквариумисты сталкиваются с данным свойством буферных систем обычно в периоды весеннего и осеннего паводка, если станции водозабора снабжаются поверхностной, а не артезианской водой. В такие периоды буферная емкость воды может уменьшаться настолько, что некоторые виды рыб не выдерживают традиционной плотной посадки. Тогда начинают появляться истории о загадочных болезнях, выкосивших например, скалярий, или меченосцев и против которых бессильны все лекарства.

Б . Можно говорить о трех буферных системах аквариумной воды, каждая из которых устойчива в своем диапазоне рН :

1 . рН<8,3 СО 2 /НСО 3 - гидрокарбонатный буфер

2. рН=8,3 НСО 3 - гидрокарбонатный буфер

3. рН>8,3 НСО 3 - /СО 3 -- карбонатный буфер.

Рассмотрим свойсво Б в двух вариантах: вар. Б1 - при возрастании содержания СО 2 и вар. Б2 – при уменьшении его содержания.

Б1 . Концентрация СО 2 увеличивается (плотная посадка, очень старая вода, перекорм).

Кислотные свойства СО 2 проявляются в образовании ионов водорода Н + при взаимодействии его с водой: СО 2 +Н 2 О→Н + +НСО 3 - . Тогда увеличение концентрации СО 2 равносильно увеличению концентрации ионов водорода Н + . Согласно принципа Ле Шателье это приведет к нейтрализации Н + . В этом случае буферные системы работают следующим образом.

Карбонатный буфер 3 : при наличии карбонатного грунта ионы водорода будут поглощаться присутствующими в воде карбонатами: Н + +СО 3 -- →НСО 3 - . Следствием этой реакции будет растворение СаСО 3 грунта (см. выше).

Гидрокарбонатный буфер 1 – 2 : по реакции Н + +НСО 3 - →CO 2 +Н 2 О . Стабильность рН будет достигнута за счет уменьшения карбонатной «жесткости» dКН , а удаление образующегося СО 2 – либо за счет фотосинтеза, либо за счет диффузии его в воздух (при надлежащей аэрации).

Если источник избытка СО 2 не будет устранен, то при уменьшении значения dКН вдвое от исходного, рН воды начнет понижаться при сопутствующем падении буферной емкости и увеличении общей жесткости. Когда величина показателя рН уменьшится на 1 единицу, емкость буферной системы будет исчерпана. При значении рН=6,5 содержание оставшихся гидрокарбонатов = , а при рН<6 гидрокарбонаты будут присутствовать лишь в виде следа.

В итоге стабильность рН будет оплачена ценой понижения dКН , увеличения dGH и расходования буферной емкости воды. Такая вода уже будет сильно отличаться от природной (см. выше) и не всякая рыба сможет в ней выжить. В аквариумной практике принято считать нижней границей нормы количество гидрокарбонатов, соответствующее 4°dКН . Можно добавить, что для ряда видов аквариумных рыб (живородки, скалярии, атерины и др.) понижение карбонатной «жесткости» ниже 2°dКН может закончится трагично. Но в то же время, многие мелкие харациновые, расборы, радужницы такую воду переносят.

Б2 . Противоположные процессы – подщелачивание воды вследствие уменьшения содержания СО 2 в аквариуме ниже равновесного - возможны либо при активном фотосинтезе растений, либо при искусственном внесении в воду гидрокарбонатов в виде пищевой соды – NаНСО 3 . Тогда, согласно принципу Ле Шателье, это приведет к следующему противодействию со стороны буферных систем аквариумной воды.

Гидрокарбонатный буфер 1 : стабильность рН будет удерживаться за счет диссоциации гидрокарбонатов: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- . Тогда вслед за понижением содержания

СО 2 , будет пропорционально понижаться и количество гидрокарбонатов, а значение отношения [НСО 3 - ]/ сохраняться постоянным (см. свойство А, уравнение Хендерсона-Хассельбальха). При падении содержания углекислоты менее 0,5 р , значение показателя рН начнет увеличиваться и может возрасти до рН=8,3 . По достижении этого значения, гидрокарбонатный буфер 1 свои возможности исчерпывает, поскольку в такой воде СО 2 практически отсутствует.

Гидрокарбонатный буфер 2 удерживает значение рН=8,3 . Эта цифра следует из формулы [Н + ]=√К 1 К 2 , где К 1 и К 2 – 1 и 2-ая константы диссоциации угольной кислоты (см. выше). Тогда:

рН = -lg√К 1 К 2 = -lg√(4 10 -7)(5,6 10 -11) = 8,3

Т.е. значение рН растворов любых гидрокарбонатов постоянно, не превышает рН=8,3 и является следствием самой химической природы этих веществ.

В отсутствие СО 2 гидрокарбонаты разлагаются по уравнению:

НСО 3 - →СО 2 +ОН - , подщелачивая воду и выделяя СО 2 , который потребляют растения. Но, тот же гидрокарбонат нейтрализует ОН - по схеме: НСО 3 - →СО 3 -- +Н + ; и Н + +ОН - →Н 2 О . Поэтому значение показателя рН будет сохраняться стабильным, что отражает суммарное уравнение:

2НСО 3 - →СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О

Стабильность рН достигается опять же за счет уменьшения количества гидрокарбонатов, т.е. за счет понижения буферной емкости воды. Однако аквариумный тест dКН это уменьшение не чувствует в силу особенностей самого метода анализа.

Поскольку гидрокарбонат-ион обладает способностью к диссоциации как по кислотному, так и по основному типу, т.е: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- и НСО 3 - →ОН - +СО 2 , то карбонатная «жесткость» dКН (содержание гидрокарбонатов), также является буферной системой.

Искусственное внесение в воду гидрокарбонатов (обычно в виде пищевой соды) иногда практикуется при содержании цихлид из Великих Африканских озер и в морской аквариумистике. При этом реализуются две стратегии: увеличение буферной емкости аквариумной воды и повышение значения показателя рН до 8,3.

Если количество СО 2 в аквариумной воде будет уменьшаться и далее, то при падении его содержания вдвое, по сравнению с равновесным, рН воды начнет возрастать. По превышении показателем рН значения рН=8,3 , углекислый газ из воды исчезает, и неорганический углерод представлен только гидрокарбонатами и карбонатами.

Карбонатный буфер 3 . По превышении карбонатами концентрации, соответствующей произведению растворимости =ПР СаСО3 / , в воде начнут образовываться кристаллы СаСО 3 . Поскольку основным и единственным потребителем СО 2 в пресноводном аквариуме являются водные растения, то рассматриваемые процессы происходят преимущественно на поверхности зеленого листа. При возрастании рН>8,3 поверхность зрелых листьев начнет покрываться известковой коркой, которая является замечательным субстратом для роста водорослей. Связывая карбонаты СО 3 -- , образующийся СаСО 3 также поддерживает стабильность рН . Однако в отсутствие ионов Са ++ (в очень мягкой воде), при активном фотосинтезе рост концентрации карбонатов будет повышать значение показателя рН вследствие гидролиза карбонатов: СО 3 -- +Н 2 О→ОН - +НСО 3 - .

При увеличении значения показателя рН на 1 единицу, по сравнению с исходным, буферная емкость воды будет исчерпана, и при продолжающемся падении содержания СО 2 , значение показателя рН может быстро повыситься до рискованного рН>8,5 . В итоге падение содержания СО 2 в аквариумной воде приведет к росту значения показателя рН при некотором уменьшении общей жесткости. В такой воде (также сильно неравновесной, как и в варианте Б1 ) весьма дискомфортно будут себя чувствовать многие мягководные рыбы.

Таким образом карбонатная буферная система воды объединяет в себе традиционные аквариумные гидрохимические параметры: жесткость общую и карбонатную, рН , а также содержание СО 2 . В ряду dGH – pH - dKH – CO 2 самым консервативным параметром является dGH , а самым изменчивым – СО 2 . По степени изменения dGH , pH и особенно dKH по сравнению с отстоянной, проаэрированной водопроводной водой можно судить о степени напряженности процессов дыхания и фотосинтеза в аквариуме. Исчерпание буферной емкости аквариумной воды как в ту, так и в другую сторону, настолько изменяет ее способность поглощать СО 2 , что именно это свойство зачастую превращает ее в сильно неравновесную по содержанию СО 2 и кардинально отличает от природной. Изменение способности аквариумной воды поглощать выдыхаемый рыбами СО 2 , может превышать физиологические возможности организма рыб по его выведению. Поскольку это отражается на здоровье рыбного населения аквариума, то следует познакомиться с особенностями физиологического действия СО 2 на организм рыб.

© Александр Яночкин, 2005 г.
© Аква Лого, 2005 г.

Вещество с химическое формулой СО2 и молекулярной массой 44,011 г/моль, которое может существовать в четырёх фазовых состояниях - газообразном, жидком, твёрдом и сверхкритическом.

Газообразное состояние СО2 носит общеупотребительное название «углекислый газ». При атмосферном давлении это бесцветный газ без цвета и запаха, при температуре +20 ?С плотностью 1,839 кг/м? (в 1,52 раза тяжелее воздуха), хорошо растворяется в воде (0,88 объёма в 1 объёме воды), частично взаимодействуя в ней с образованием угольной кислоты. Входит в состав атмосферы в среднем 0,035% по объёму. При резком охлаждении за счёт расширения (детандирование) СО2 способен десублимироваться - переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.

Газообразный диоксид углерода ранее нередко хранили в стационарных газгольдерах. В настоящее время такой способ хранения не применяется; углекислый газ в необходимом количестве получают непосредственно на месте - путём испарения жидкой углекислоты в газификаторе. Далее газ можно легко перекачать по любому газопроводу под давлением 2-6 атмосфер.

Жидкое состояние СО2 носит техническое название «жидкая углекислота » или просто «углекислота». Это бесцветная жидкость без запаха, средней плотностью 771 кг/м3, которая существует только под давлением 3 482…519 кПа при температуре 0…-56,5 град.С («низкотемпературная углекислота»), либо под давлением 3 482…7 383 кПа при температуре 0…+31,0 град.С («углекислота высокого давления»). Углекислоту высокого давления получают чаще всего путём сжатия углекислого газа до давления конденсации, при одновременном охлаждении водой. Низкотемпературную углекислоту, являющейся основной формой диоксида углерода для промышленного потребления, чаще всего получают по циклу высокого давления путём трехступенчатого охлаждения и дросселирования в специальных установках.

При небольшом и среднем потреблении углекислоты (высокого давления),т для её хранения и транспортировки используют разнообразные стальные баллоны (от баллончиков для бытовых сифонов до ёмкостей вместимостью 55 л). Самым распространенным является 40 л баллон с рабочим давление 15 000 кПа, вмещающим 24 кг углекислоты. За стальными баллонами не требуется дополнительный уход, углекислота сохраняется без потерь в течение длительного времени. Баллоны с углекислотой высокого давления окрашивают в чёрный цвет.

При значительном потреблении, для хранения и транспортировки низкотемпературной жидкой углекислоты используют изотермические цистерны самой разнообразной вместимости, оснащённые служебными холодильными установками. Существуют накопительные (стационарные) вертикальные и горизонтальные цистерны вместимостью от 3 до 250 т, транспортируемые цистерны вместимостью от 3 до 18 т. Цистерны вертикального исполнения требуют строительства фундамента и используются преимущественно в условиях ограниченного пространства для размещения. Применение горизонтальных цистерн позволяет снизить затраты на фундаменты, особенно при наличии общей рамы с углекислотной станцией. Цистерны состоят из внутреннего сварного сосуда, изготовленного из низкотемпературной стали и имеющего пенополиуретановую или вакуумную теплоизоляцию; наружного кожуха из пластика, оцинкованной или нержавеющей стали; трубопроводов, арматуры и приборов контроля. Внутренняя и наружная поверхности сварного сосуда подвергаются специальной обработке, благодаря чему снижена до вероятность поверхностной коррозии металла. В дорогих импортных моделях наружный герметичный кожух выполнен из алюминия. Использование цистерн обеспечивает заправку и слив жидкой углекислоты; хранение и транспортировку без потерь продукта; визуальный контроль массы и рабочего давления при заправке, в процессе хранения и выдачи. Все типы цистерн оснащены многоуровневой системой безопасности. Предохранительные клапаны позволяют производить проверку и ремонт без остановки и опорожнения цистерны.

При мгновенном снижении давления до атмосферного, происходящем при впрыске в специальную расширительную камеру (дросселировании), жидкий диоксид углерода мгновенно превращается в газ и тончайшую снегообразную массу, которую прессуют и получают диоксид углерода в твёрдом состоянии, который носит общеупотребительное название «сухой лёд». При атмосферном давлении это белая стекловидная масса плотностью 1 562 кг/м?, с температурой -78,5 ?С, которая на открытом воздухе сублимируется - постепенно испаряется, минуя жидкое состояние. Сухой лёд может быть также получен непосредственно на установках высокого давления, применяемых для получения низкотемпературной углекислоты, из газовых смесей, содержащих СО2 в количестве не менее 75-80%. Объёмная холодопроизводительность сухого льда почти в 3 раза больше, чем у водяного льда, и составляет 573,6 кДж/кг.

Твёрдый диоксид углерода обычно выпускают в брикетах размером 200?100?20-70 мм, в гранулах диаметром 3, 6, 10, 12 и 16 мм, редко в виде тончайшего порошка («сухой снег»). Брикеты, гранулы и снег хранят не более 1-2 суток в стационарных заглублённых хранилищах шахтного типа, разбитых на небольшие отсеки; перевозят в специальных изотермических контейнерах с предохранительным клапаном. Используются контейнеры разных производителей вместимостью от 40 до 300 кг и более. Потери на сублимацию составляют, в зависимости от температуры окружающего воздуха 4-6% и более в сутки.

При давлении свыше 7,39 кПа и температуре более 31,6 град.С диоксид углерода находится в так называемом сверхкритическом состоянии, при котором его плотность как у жидкости, а вязкость и поверхностное натяжение как у газа. Эта необычная физическая субстанция (флюид) является отличным неполярным растворителем. Сверхкритический CO2 способен полностью или выборочно экстрагировать любые неполярные составляющие с молекулярной массой менее 2 000 дальтон: терпеновые соединения, воски, пигменты, высокомолекулярные насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, алкалоиды, жирорастворимые витамины и фитостерины. Нерастворимыми веществами для сверхкритического CO2 являются целлюлоза, крахмал, органические и неорганические полимеры с высоким молекулярным весом, сахара, гликозидные вещества, протеины, металлы и соли многих металлов. Обладая подобными свойствами, сверхкритический диоксид углерода всё шире применяется в процессах экстракции, фракционирования и импрегнации органических и неорганических веществ. Он является также перспективным рабочим телом для современных тепловых машин.

• Удельный вес . Удельный вес углекислоты зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится.
• Критическая температура углекислоты +31 град. Удельный вес углекислого газа при 0 град и давлении 760 мм рт.ст. равен 1, 9769 кг/м3.
• Молекулярный вес углекислого газа 44,0. Относительный вес углекислого газа по сравнению с воздухом составляет 1,529.
• Жидкая углекислота при температурах выше 0 град. значительно легче воды, и ее можно хранить только под давлением.
• Удельный вес твердой углекислоты зависит от метода ее получения. Жидкая углекислота при замораживании превращается в сухой лед, представляющий прозрачное, стеклообразное твердое тело. В этом случае твердая углекислота имеет наибольшую плотность (при нормальном давлении в сосуде, охлаждаемом до минус 79 град., плотность равна 1,56). Промышленная твердая углекислота имеет белый цвет, по твердости близка к мелу,
• ее удельный вес колеблется в зависимости от способа получения в пределах 1,3 - 1,6.

• Уравнение состояния. Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением
• V= R T/p - A, где
• V - объем, м3/кг;
• R - газовая постоянная 848/44 = 19,273;
• Т - температура, К град.;
• р давление, кг/м2;
• А - дополнительный член, характеризующий отклонение от уравнения состояния для идеального газа. Он выражается зависимостью А =(0, 0825 + (1,225)10-7 р)/(Т/100)10/3.

• Тройная точка углекислоты. Тройная точка характеризуется давлением 5,28 ата (кг/см2) и температурой минус 56,6 град.
• Углекислота может находиться во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном) только в тройной точке. При давлениях ниже 5,28 ата (кг/см2) (или при температуре ниже минус 56,6 град.) углекислота может находиться только в твердом и газообразном состояниях.
• В парожидкостной области, т.е. выше тройной точки, справедливы следующие соотношения
• i" x + i"" у = i,
• x + у = 1, где,
• x и у - доля вещества в жидком и парообразном виде;
• i" - энтальпия жидкости;
• i"" - энтальпия пара;
• i - энтальпия смеси.
• По этим величинам легко определить величины x и у. Соответственно для области ниже тройной точки будут действительны следующие уравнения:
• i"" у + i"" z = i,
• у + z = 1, где,
• i"" - энтальпия твердой углекислоты;
• z - доля вещества в твердом состоянии.
• В тройной точке для трех фаз имеются также только два уравнения
• i" x + i"" у + i""" z = i,
• x + у + z = 1.
• Зная значения i," i"," i""" для тройной точки и используя приведенные уравнения можно определить энтальпию смеси для любой точки.

• Теплоемкость. Теплоемкость углекислого газа при температуре 20 град. и 1 ата составляет
• Ср = 0,202 и Сv = 0,156 ккал/кг*град. Показатель адиабаты k =1,30.
• Теплоемкость жидкой углекислоты в диапазоне температур от -50 до +20 град. характеризуется следующими значениями, ккал/кг*град. :
• Град.С -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
• Ср, 0,47 0,49 0,515 0,514 0,517 0,6 0,64 0,68

• Точка плавления. Плавление твердой углекислоты происходит при температурах и давлениях, соответствующих тройной точке (t = -56,6 град. и р = 5,28 ата) или находящихся выше ее.
• Ниже тройной точки твердая углекислота сублимирует. Температура сублимации является функцией давления: при нормальном давлении она равна -78,5 град., в вакууме она может быть -100 град. и ниже.

• Энтальпия. Энтальпию пара углекислоты в широком диапазоне температур и давлений определяют по уравнению Планка и Куприянова.
• i = 169,34 + (0,1955 + 0,000115t)t - 8,3724 p(1 + 0,007424p)/0,01T(10/3), где
• I - ккал/кг, р - кг/см2, Т - град.К, t - град.С.
• Энтальпию жидкой углекислоты в любой точке можно легко определить путем вычитания из энтальпии насыщенного пара величины скрытой теплоты парообразования. Точно так же, вычитая скрытую теплоту сублимации, можно определить энтальпию твердой углекислоты.

• Теплопроводность . Теплопроводность углекислого газа при 0 град. составляет 0,012 ккал/м*час*град.С, а при температуре -78 град. она понижается до 0,008 ккал/м*час*град.С.
• Данные о теплопроводности углекислоты в 10 4 ст. ккал/м*час*град.С при плюсовых температурах приведены в таблице.
• Давление, кг/см2 10 град. 20 град. 30 град. 40 град.
• Газообразная углекислота
• 1 130 136 142 148
• 20 - 147 152 157
• 40 - 173 174 175
• 60 - - 228 213
• 80 - - - 325
• Жидкая углекислота
• 50 848 - - -
• 60 870 753 - -
• 70 888 776 - -
• 80 906 795 670
  Теплопроводность твердой углекислоты может быть вычислена по формуле:
  236,5/Т1,216 ст., ккал/м*час*град.С.

• Коэффициент теплового расширения. Объемный коэффициент расширения а твердой углекислоты рассчитывают в зависимости от изменения удельного веса и температуры. Линейный коэффициент расширения определяют по выражению b = a/3. В диапазоне температур от -56 до -80 град. коэффициенты имеют следующие значения: а *10*5ст. = 185,5-117,0, b* 10* 5 cт. = 61,8-39,0.

• Вязкость. Вязкость углекислоты 10 *6ст. в зависимости от давления и температуры (кг*сек/м2)
• Давление, ата -15 град. 0 град. 20 град. 40 град.
• 5 1,38 1,42 1,49 1,60
• 30 12,04 1,63 1,61 1,72
• 75 13,13 12,01 8,32 2,30

• Диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная жидкой углекислоты при 50 - 125 ати, находится в пределах 1,6016 - 1,6425.
• Диэлектрическая постоянная углекислого газа при 15 град. и давлении 9,4 - 39 ати 1,009 - 1,060.

• Влагосодержание углекислого газа. Содержание водяных паров во влажном углекислом газе определяют с помощью уравнения,
• Х = 18/44 * p’/p - p’ = 0,41 p’/p - p’ кг/кг, где
• p’ - парциальное давление водяных паров при 100%-м насыщении;
• р - общее давление паро-газовой смеси.

• Растворимость углекислоты в воде. Растворимость газов измеряется объемами газа, приведенными к нормальным условиям (0 град, С и 760 мм рт. ст.) на объем растворителя.
• Растворимость углекислоты в воде при умеренных температурах и давлениях до 4 - 5 ати подчиняется закону Генри, который выражается уравнением
• Р = Н Х, где
• Р - парциальное давление газа над жидкостью;
• Х - количество газа в молях;
• Н - коэффициент Генри.

• Жидкая углекислота как растворитель. Растворимость смазочного масла в жидкой углекислоте при температуре -20град. до +25 град. составляет 0,388 г в100 СО2,
• и увеличивается до 0,718 г в 100 г СО2 при температуре +25 град. С.
• Растворимость воды в жидкой углекислоте в диапазоне температур от -5,8 до +22,9 град. составляет не более 0,05% по весу.

Техника безопасности

По степени воздействия на организм человека газообразный диоксид углерода относится к 4-му классу опасности по ГОСТу 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности». Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны не установлена, при оценке этой концентрации следует ориентироваться на нормативы для угольных и озокеритовых шахт, установленные в пределах 0,5%.

При применении сухого льда, при использовании сосудов с жидкой низкотемпературной углекислотой должно обеспечиваться соблюдение мер безопасности, предупреждающих обморожение рук и других участков тела работника.