Хімічні та біологічні перетворення діоксиду вуглецю у водних екосистемах

Основними джерелами надходження діоксиду вуглецю у водне середовище є його інвазія з атмосфери, дихання гідробіонтів, виділення із солей вугільної кислоти в результаті хімічних реакцій та процеси гниття органічних речовин. Коефіцієнт розчинності СО₂ у воді вищий, ніж кисню. Він становить при нульовій температурі 1,713 (для кисню цей показник становить 0,049).

Між атмосферою і водним середовищем відбувається постійний обмін діоксидом вуглецю, який пов’язаний з урівноваженням його парціального тиску (“атмосфера – вода”). У зв’язку з цим, при зростанні концентрації СО₂ в атмосфері збільшується і його вміст у воді. І, навпаки, коли підвищується концентрація діоксиду вуглецю у воді, відбувається його перехід у атмосферу. Коефіцієнт розчинності діоксиду вуглецю у воді залежить від її температури та концентрації розчинених солей (табл. 18). Як в прісних, так і в морських водах розчинність СО₂ значно перевищує рівень розчинності кисню. При цьому насиченість солоної морської води менша, ніж прісної.

Таблиця 18

Відносна об’ємна розчинність повітря та газів у воді (долі одиниць)
при парційному тиску 1 атм

Вміст СО₂ в континентальних водоймах може коливатись у дуже широких межах. Так, в дніпровських водосховищах після стабілізації гідрохімічного режиму, в залежності від сезону року, біологічних і хімічних процесів, що відбуваються у товщі води і донних відкладах, його концентрація може коливатись від 0 до 55–60 мг/дм³. Найбільш високий його вміст – в період льодоставу (20–60 мг/дм³).

У літні дні внаслідок інтенсифікації процесів фотосинтезу водоростей і вищих водяних рослин, в ході якого засвоюється діоксид вуглецю, його концентрація у поверхневих водах знижується до аналітичного нуля. Одночасно змінюється і активна реакція води в лужний бік (до рН 9–9,7). Влітку мають місце і добові коливання вмісту СО₂ у воді, що пов’язано з більшою фотосинтетичною активністю рослинних організмів, зокрема планктонних водоростей, в світловій фазі.

Вміст діоксиду вуглецю в природних водоймах може коливатись внаслідок не тільки біологічних процесів, а й хімічних перетворень його сполук. Розчинений у воді діоксид вуглецю частково вступає в реакцію з водою, внаслідок чого утворюється вугільна кислота:

Н₂О + СО₂ = Н₂СО₃ .

Як двохосновна кислота Н₂СО₃ може утворювати два види солей: середні вуглекислі (карбонати) з аніоном СО₃^2– та кислі вуглекислі, або бікарбонати (НСО₃^–). У зв’язку з цим у водному розчині відбуваються такі реакції:

Н₂О + СО₂ ® Н₂СО₃ ® Н⁺ + НСО₃^– ® 2Н⁺ + СО₃^2– .

Кількісні співвідношення окремих форм вугільної кислоти (Н₂СО₃, НСО₃^–, СО₃^2–) у воді, як видно з наведеного рівняння, обумовлюють величину рН.

У відповідності із законом діючих мас можна розрахувати кількісні співвідношення між окремими формами двуоксиду вуглецю та його сполук при різних значеннях рН. Таке співвідношення молярних концентрацій окремих форм похідних вугільної кислоти відображене (у відсотках до її загального вмісту) в таблиці 19.

Таблиця 19

Співвідношення між окремими формами вугільної кислоти залежно від рН води,
% (молярна частка)

Стійкість рН природних вод обумовлена наявністю НСО₃^– і СО₃^2–. У випадках відсутності або низьких концентрацій цих іонів рН води при насиченні СО₂ зміщується у кислу сторону. Сума різних форм вугільної кислоти (СО₂, Н₂СО₃, НСО₃^– і СО₃^2–) складає карбонатну систему. Поряд з вуглекислотою та її похідними вона включає іони водню, кальцію, магнію та інші розчинені речовини (рис. 130).

Рис. 130. Перетворення діоксиду вуглецю у водних екосистемах (за Хорн, 1972)

Наявність карбонатів у природних водах обумовлена реакціями розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрювання алюмосилікатів під впливом дії на них розчиненого у воді діоксиду вуглецю:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ Са²⁺ + 2НСО₃^– ;

MgCO₃ + H₂O + CO₂ Mg²⁺ + 2HCO₃^– ;

K₂Al₂Si₆O₁₆ + 2H₂O + CO₂ K₂CO₃ + H₄Al₂Si₂O₉ + 4Si₂ .

Карбонатна система є одним з ефективних регуляторів вмісту СО₂ і рН природних вод. Так, підвищення концентрації розчиненого СО₂ у воді викликає зростання концентрації іонів водню, що, в свою чергу, знижує вміст СО₃^2–. Насичення води карбонатом кальцію при цьому зменшується, а сам СаСО₃ розчиняється. І, навпаки, при зниженні вмісту СО₂ (коли підвищується рН) зростає концентрація СО₃^2––, внаслідок чого солі (переважно карбонат кальцію) випадають в осад, а частково осідають на листя і стебла водяних рослин, утворюючи білий наліт. Карбонатна система відіграє важливу буферну роль, запобігаючи різким змінам рН водного середовища, які негативно позначається на гідробіонтах.

Концентрація вільного діоксиду вуглецю може перевищувати концентрацію його збалансованих сполук з гідрокарбонатними іонами. Про це свідчить зрушення активної реакції води в кислу сторону. У такому випадку говорять про вуглекислотну агресивність води.

Оцінюючи роль вуглекислоти як основного джерела вуглецю у живій речовині, В.І. Вернадський відзначав, що вона утворюється з вугільної кислоти атмосфери, або з вугільної кислоти, розчиненої у воді. Всі інші джерела вуглецю, які жива речовина використовує у земній корі, генетично зв’язані з нею. Головна маса рослинного життя зосереджена у гідросфері, але вона повністю залежить від атмосферного СО₂, який є для неї головним джерелом живлення.