Углерод и карбонаты в воде искусственного водоёма

Углерод

Диоксид углерода

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

Диоксид углерода содержится в воде в основном в виде растворенных молекул CO₂ и лишь малая часть его (около 1%) при взаимодействии с водой образует угольную кислоту:

CO₂ + H₂O <=> H₂CO₃

Диоксид углерода, гидрокарбонатные и карбонатные ионы являются основными компонентами карбонатной системы. В растворе между ними существует подвижное равновесие:

H₂CO₃ <=> Н⁺ + HCO^₃- <=> 2Н⁺ + CO₃^2-

Соотношение между компонентами в значительной мере определяется величиной рН.

• При рН 4.5 и ниже из всех компонентов карбонатного равновесия в воде присутствует только свободная углекислота.
• В интервале рН=6-10 (pH водs в искусственном водоёме в нормальных условиях должен быть от 7.8 до 9) гидрокарбонатные ионы являются основной формой производных угольной кислоты (максимальное их содержание при рН=8.3-8.4).
• При рН более 10.5 главной формой существования угольной кислоты являются карбонатные ионы.

Главным источником поступления оксида углерода в воды искусственного водоёма являются процессы биохимического распада органических остатков, окисления органических веществ, дыхания водных организмов.

Одновременно с процессами поступления значительная часть диоксида углерода потребляется при фотосинтезе, а также расходуется на растворение карбонатов и химическое выветривание алюмосиликатов:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <=> Ca(HCO₃)₂
HSiO₃^- + CO₂ + H₂O <=> H₂SiO₃ + HCO₃^-

Уменьшение диоксида углерода в воде происходит также в результате его выделения в атмосферу.

Концентрация диоксида углерода в природных водах колеблется от нескольких десятых долей до 3-4 мг/дм³, изредка достигая 10-20 мг/дм³.

Обычно весной и летом содержание диоксида углерода в водоеме понижается, а в конце зимы достигает максимума. Диоксид углерода имеет исключительно важное значение для растительных организмов населяющих искусственный водоём (как источник углерода).

Как известно, водные растения состоят из органических соединений, т. е. соединений, основу (скелет) которых составляет углерод. Нарастание биомассы растений связано с необходимостью подпитки их извне соединениями углерода. Основным веществом, служащим для питания растений является углекислый газ. Растения ассимилируют (поглощают) CO₂, превращая его в органические соединения — глюкозу, крахмал и другие.

Поглощение CO₂ связано с изменением pH воды искусственного водоёма: сдвигом его значения в щелочную сторону. Содержание углекислого газа в воде искусственного водоёма снижается при уменьшении жесткости и уменьшении кислотности воды. Поэтому очень мягкая и особенно щелочная вода неблагоприятны для водных растений. Многие растения прекращают рост даже в слабощелочной среде (при pH около 8).

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

В то же время повышенные концентрации CO₂ угнетающе действуют на животные организмы обитающие в пруду. Углекислый газ в больших концентрациях токсичен для водных  животных. При большом содержании CO₂ в воде он попадает в кровь рыб, вызывая удушье. Для нормального функционирования аквасистемы концентрация CO₂ в воде искусственного водоёма не должна превышать 4 мл/л.

При высоких концентрациях CO₂ воды также становятся агрессивными по отношению к металлам и бетону в результате образования растворимых гидрокарбонатов, нарушающих структуру этих материалов.

Карбонаты

Важная роль углекислого газа в гидрохимии искусственного водоёма состоит в установлении так называемого углекислотно-известкового равновесия. Это равновесие определяется главным образом тремя параметрами; концентрацией CO₂ в воде, значениями pH и карбонатной жесткости dKH.Карбонат кальция CaCO₃ обладает очень плохой растворимостью в воде (7 мг в 1 л), что соответствует 2° жесткости. При растворении CO₂ в воде карбонаты, которые практически всегда содержатся в грунте, начинают взаимодействовать с углекислым газом, с образованием гидрокарбонатов, которые хорошо растворимы в воде:

Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, мергелей, доломитов:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <=> Сa₂⁺ + 2HCO₃^-
MgCO₃ + CO₂ + H₂O <=> Mg₂⁺ + 2HCO₃^-

Некоторая часть гидрокарбонатных ионов поступает с атмосферными осадками и грунтовыми водами. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности и т.д.

По мере накопления гидрокарбонатных и особенно карбонатных ионов последние могут выпадать в осадок:

Ca(HCO₃)₂ => CaCO₃ + H₂O + CO₂
Сa₂⁺ + CO₃^2- => CaCO₃

В речных водах содержание гидрокарбонатных и карбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг HCO₃ ^- /дм³, в озерах - от 1 до 500 мг HCO₃^-/дм³, в морской воде - от 100 до 200 мг/дм³, в атмосферных осадках - от 30 до 100 мг/дм³, в грунтовых - от 150 до 300 мг/дм³, в подземных водах - от 150 до 900 мг/дм³.

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

1.Объем искусственного водоёма. Как правило, в искусственных водоёмах большого объема равновесные процессы более устойчивы.

2.Геометрические размеры искусственного водоёма. В искусственном водоёме с большой площадью поверхности лучше осуществляется газообмен, с воздухом.

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

4.Количество водных растений в искусственном водоёме, которые, в зависимости от освещенности, выделяют или поглощают углекислый газ.

5.Интенсивность освещения, влияющая на жизнедеятельность водных растений.

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

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

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

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

10.Движение воды за счет фильтров, ручьев, каскадов, насосов и т. п. Влияет на насыщение воды углекислым газом из воздуха и растворимость карбонатов.

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

По материалам:

• сайта maxnimere.my1. ru
• Справочник по гидрохимии. Электронная версия.