Anglies Dioksidas, Karbonatai ir pH

Anglies dioksido tirpimas vandenyje susijęs su chemine reakcija tarp CO2 ir vandens, to rezultatas – anglies rūgštis:
CO2 + H2O = H2СO3
Tai silpna rūgštis, t.y. ji disocijuoja į jonus nežymiai, todel dalis ištirpusio CO2 vandenyje yra laisvos formos. Angliarūgštė disocijoja į vandenilio ir hidrokarbonatų jonus:
H2СO3 = H+ + HCO3‾
Štai, tirpale, kuriame ištirpinta 100ml CO2 viename litre vandens, maždaug viena molekulė iš 50 disocijuoja į jonus. Labai nedidelė hidrokarbonato jonų (HCO3‾ ) dalis taip pat gali skilti:
HCO3‾ = H+ + СO32‾
Štai toks, dvejų pakopų anglies rūgšties disociacijos rezultatas – vandenilio jonų H+ koncentracija tampa didesnė, nei hidroksido jonų ОН‾ ir vanduo įgauna rūgščią reakciją (pH<7).
Anglies dioksidas – pastovi atmosferinio oro sudedamoji dalis. Paprastai 1 m3 (1000 l.) oro būna apie 300ml. CO2. Gyvenamųjų patalpų atmosferoje CO2 kiekis dėl žmonių kvėpavimo gali būti didesnis. Iš atmosferinio oro CO2 patenka į vandenį per oro kontaktą su vandens paviršiumi. CO2 tirpsta vandenyje tol, kol pasiekia tam tikrą koncentraciją, kuri priklauso nuo vandens temperatūros, nuo CO2 kiekio atmosferoje, nuo karbonatų kiekio vandenyje ir kt. Kai CO2 jau nebetirpsta, sakoma, kad pasiekta pusiausvyra tarp atmosferinio CO2 kiekio ir vandenyje ištirpusio. Vandens aeracija visuomet stengiasi atstatyti šią pusiausvyrą, jei joje yra kokių nukrypimų. Tas liečia ne tik CO2, bet ir O2 ir kitas dujas. Jeigu akvariumo vandenyje CO2 koncentracija yra labai maža palyginus su pusiasvyros koncentracija, tuomet aeracijos metu vanduo praturtėja CO2, o jeigu CO2 koncentracija vandenyje yra didesne, nei pusiausvyros koncentracija, tuomet CO2 pasišalina iš vandens. Jeigu dėl kažkokios avarijos ar neapdairumo CO2 koncentracija akvariumo vandenyje pasiekė pavojingą ribą, stipri aeracija gali padėti ją sumažinti. Vandentiekyje vanduo yra po spaudimu ir dėl to jame tirpsta daug daugiau dujų, nei prie atmosferinio slėgio. Prieš pilant tokį vandenį į akvariumą, logiška atstatyti pusiausvyrą. Tai galima padaryti laikant vandenį kelias dienas atvirame inde arba aeracijos pagalba per kelias valandas.
Kitas CO2 šaltinis akvariume yra gyvųjų organizmų kvėpavimas. Visi mūsų akvariumų gyventojai, ir nematomos bakterijos, ir matomi moliuskai, bestuburiai, žūvys, visi kvėpuoja. Tą daro net augalai nakties metu. Įvairioje literatūroje rašoma, kad labai tankiai užsodintame akvariume, nakties pabaigoje, į rytą, CO2 koncentracija gali pasiekti pavojingą ribą būtent dėl augalų kvėpavimo.
Augalai prie šviesos sugeria iš aplinkos (asimiliuoja) CO2, verčia jį į organinius junginius – gliukozę, krakmolą ir kt. Šis procesas vadinamas fotosinteze. Fotosintezė paprastai demonstruojama šios formulės pagalba:
6CO2 + 6H2O + saulės energija -> C6H12O6 + 6O2
Tamsoje vyksta atvirkštinis procesas:
С6Н12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
didinantis CO2 koncentraciją akvariumo vandenyje. Savaime suprantama, kuo daugiau akvariume yra augalų, tuo didesnę įtaką vandens hidrochemijai daro šie procesai.
Dar vienas CO2 šaltinis akvariume – jo išsiskirimas organikos(seni augalų lapai, nugaišusios žuvys, šėralo perteklius, žuvų ekskrementai) irimo(pūvimo ir kitų procesų) metu.
Didelė CO2 koncentracija yra toksiška akvariumo gyventojams. Nuo didelio CO2 kiekio akvariumo žuvys ir kiti gyventojai uždusta. Maža CO2 koncentracija – gerai žuvims, bet blogai augalams. Todėl akvariumininkystės praktikoje tenka susidurti su būtinumu mažinti arba didinti CO2 koncentraciją akvariumo vandenyje. Padidinti CO2 koncentraciją galima padidinus žūvų kiekį, bet reikia nepamiršti, kad žūvys be kvėpavimo dar ir teršia vandenį, todėl tai reikia daryti „su protu“, palaipsniui, kontroliuojant pagrindinius vandens parametrus. Kartais akvariumininkas nori turėti dekoratyvinį akvariumą, tankiai užsodintą augalais. Tokiu atveju pagrindiniu CO2 šaltiniu gali būti tik papildomas CO2 padavimas iš baliono ar kitokio įrenginio, generuojančio CO2 rūgimo ar cheminių reakcijų metu. Visus šiuos būdus reikia naudoti labai atsargiai, pastoviai testuojant vandenį(matuoti pH, KH arba bendrą CO2 kiekį spec. testais), kad nenunuodyti savo žuvyčių.
Sumažinti CO2 koncentraciją galima sumažinus žuvų kiekį arba padidinus apšvietimo intensyvumą ir ekspoziciją, tokiu būdu aktyvuojant augalų asimiliacinę veiklą. Taip pat aeracijos pagalba ir turbulenciniu vandens maišymu. Ypač gerai CO2 pasišalina iš vandens tuo metu, kai vandens paviršiuje yra stiprus vandens judėjimas su bangomis(pvz., kai filtro išėjimo vamzdukas nukreiptas į viršų).
Didelė anglies dioksido reikšmė yra dar ir taip vadinamoje karbonatinėje pusiausvyroje Ši pusiausvyra pagrinde išreikšta trejais parametrais: CO2 koncentracija, pH( H+ koncentracija) ir KH(arba HCO3– koncentracija).
Keli žodžiai apie KH.Tai karbonatinis, arba laikinas vandens kietumas, dar atliekantis buferio vaidmenį(be karbonatinio, yra ir kitų buferių,pvz. fosfatų buferis, bet akvariume jų reikšmė labai menka, o veikimas analogiškas). Karbonatinį vandens kietumą sudaro hidrokarbonato jonai HCO3- ir tik tie, kuriems yra ekvivalentiškas kalcio ir magnio jonų kiekis.Kitaip tariant, karbonatinį kietumą sudaro Ca(HCO3)2 ir Mg(HCO3)2 sudėtyje esantys hidrokarbonato jonai.Reikėtu paminėti, kad akvariuminiai KH-testai, skirti karbonatiniam kietumui nustatyti, iš tikrųjų nustato ne Ca(HCO3)2 ir Mg(HCO3)2 koncentraciją, o tik tokių anijonų koncentraciją kaip HCO3- , OH- ir pan. Tikslingiau būtu sakyti, kad matuojamas vandens šarmingumas, o žinant jį, galima spresti apie vandens atsparumą rūgščių poveikiui. Laikinu vadinamas todėl, kad virinant dalis hidrokarbonatų pereina į karbonatus ir iškrenta į nuosėdas ir dėl to kietumas mažėja. O kadangi hidrokarbonatai turi tokią savybę – neutralizuoja rūgščių ar bazių poveiki be stipraus pH pakitimo, tai reiškia, kad KH atlieka buferio funkciją.
HCO3– + H+ = H2O + CO2
HCO3– + OH- = H2O + СO32‾
Galime isivaizduoti, kad buferis – tai kempinė, kuri sugeria rūgštys ar bazes ir pH ženkliai nesikeičia, bet iki tam tikro momento, nes buferio talpa yra ribota. Kai buferis užpildytas, visi hidrokarbonato jonai sureagavo su vandenilio jonais, tuomet pH jau tiesiogiai priklauso nuo rūgšties kiekio.
Ryšis tarp KH ir CO2 koncentracijos. Kalcio karbonatas CaCO3 labai blogai tirpus vandenyje(maždaug 7mg viename litre), kas atitinka 2° kietumą. Tirpstant CO2, karbonatai, kurie yra akvariumo grunte ar vandenyje, pradeda reaguoti su CO2. Reakcijos rezultatas yra hidrokarbonatai, kurie vandenyje tirpsta labai gerai:
CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2
Tokiu būdu mes tirpiname vandenyje esančias neištirpusias kalkes ir kietiname vandenį. Tirpstant CO2, galima pasiekti labai didelę hidrokarbonatų koncentraciją(su sąlygą, kad akvariume yra karbonatų šaltinis, marmurinė skalda, kriauklės, ir panašiai), bendras vandens kietumas gali pakilti iki 50OGH. Tol, kol bus pakankamai karbonatų, pH keisis nežymiai. Mažėjant CO2 koncentracijai, vyksta atvirkštinis procesas:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O
Arba taip, reakcijos kriptis priklausis nuo CO2 koncentracijos:
CaCO3 + CO2 + H2O <=>Ca(HCO3)2
Taigi, jei ilgesnį laiką CO2 koncentracija lieka ta pati, pusiausvyra irgi nusistovi: naujų hidrokarbonatų jonų nesigamina. Jeigu kokiu nors budu pašalinti iš vandens CO2, pusiausvyra persisvers į kairę, ir iš vandens, turinčio hidrokarbonatų, iškris praktiškai netirpaus kalcio karbonato nuosėdos. Pagal šį principą susidaro stalaktitai ir stalagmitai, iš žemės sunkiasi vanduo, judėdamas kontaktuoja su oru ir atiduoda anglies dioksido perteklių. Kartu su jo ir kalcio-magnio karbonatus. Ir iš esmės ta pati reakcija viksta ant augalų lapų, kai jie aktyviai auga prie stiprios šviesos, o laisvo anglies dioksido jau nebelieka. Tuomet augalai “pražilsta”, jų lapus dengia netirpių karbonatų sluoksnis. CO2 pasisavinimas iš vandens susijęs su pH pakitimu: jo reikšmė slenka į šarmų pusę. Paprastai augalai gali pakelti vandens pH iki 8,3-8,5. Dar didesnis pH pakėlimas smarkiai silpniną pacių augalų funkcionavimą, fotosintezės procesai suletėja ir CO2 panaudojimas sumažeja. Sugerdami iš vandens CO2, augalai patys sudaro sau nepalankias sąlygas(labai daug augalų nustoja augti jau prie pH = 8). Prie tokio pH laisvų CO2 molekulių jau beveik nebelieka ir augalai, tie, kurie moka tą daryti, pereina prie hidrokarbonatų skaidymo. O tie, kurie nemoka – nustoja augti ir laukia, kol vanduo iš oro vėl prisisotins anglies dvideginio. Tokiu budu akvariumo augalai gali tiesiog smaugti vienas kitą. Laimi tos augalų rūšys, kurios efektiviau panaudoja CO2 iš hidrokarbonatų, o nukenčia nemokantys to daryti. Augalai, mokantys skaidyti hidrokarbonatus yra gyvybingesni
Kai kurie augalai gali naudoti tik laisvoje formoje vandenyje esantį CO2, t.y. nesurištą į hidrokarbonatus. Kai visas laisvas CO2 sunaudotas, fotosintezės procesai sustoja ir augalas nustoja augti. Tokie augalai akvariumininkų yra priskiriami prie kaprizingų grupės. Norint savo akvariume auginti tokius augalus, jiems reikia sudaryti ypatingas sąlygas: papildomas CO2 šaltinis, vandens minkštinimas (hidrokarbonatų šalinimas).
Dauguma hidrofloros atstovų prisitaikė, esant laisvo CO2 trūkumui, naudoti kalcio ir magnio hidrokarbonatuose esantį CO2. Šis procesas dar vadinamas biogeniniu vandens minkštinimu. Jo metu vyksta štai kas:
Ca(HCO3)2 = CO2 (sunaudojamas augalų) + CaCO3 + H2O
Ca(HCO3)2 = 2CO2 (sunaudojamas augalų) + Ca(ОН)2
Pirmos reakcijos rezultate mes gauname kalcio ir magnio karbonatus, sudarančius baltas kalkių apnašas ant augalų lapų. Antroje reakcijoje mes matome, kad CO2 panaudotas efektyviau ir reakcijos rezultatas – kalcio hidroksidas Ca(ОН)2 , ir štai šiuo atveju mes gausime labai stiprų pH pakilimą. Pavyzdžiui, kanadietiška elodėja(Elodea Canadensis) gali taip pilnai išnaudoti vandenyje esantį CO2, kad pH pakyla kartais net iki 10(tam reikia ypatingų sąlygų). Tokiose sąlygose dauguma kitų augalų žūna, ir tai tampa rimtu pavojumi žuvims.
Dar karbonatinė pusiausvyra priklauso nuo visos eilės faktorių:
Akvariumo tūris. Didelio tūrio akvariumose pusiausvyros procesai stabilesni.
Akvariumo geometrija(vandens paviršiaus ploto ir akvariumo aukščio santykis). Neaukštame akvariume, su dideliu vandens paviršiaus plotu, geriau vyksta dujų apykaita su atmosferos oru.
Akvariumo žuvų ir kitų išskiriančių CO2 kvėpavimo metu gyventojų kiekis.
Augalų, kurie priklausomai nuo apšvietimo naudoja arba išskiria CO2, kiekis akvariume.
Apšvietimo intensyvumas, kuris įtakoja augalų gyvybingumą ir aktyvumą.
Cheminė vandens sudėtis. Vienas iš svarbiausių parametrų – karbonatinis arba laikinas vandens kietumas KH.
Žuvų šėrimo rėžimas. Šėralo perteklius suira ir tampa CO2 šaltiniu.
Vandens temperatūra. Nuo jos priklauso CO2 ir karbonatų tirpumas ir daugelio cheminių reakcijų intensyvumas.
Gruntas. Nuo karbonatų kiekio grunte priklauso hidrocheminė vandens sudėtis.
Vandens judėjimas. Nuo jo priklauso vandens prisotinimas anglies dioksidu ir karbonatų tirpumas.
Visi šie faktoriai byloja apie sudetingą pusiausvyros priklausomybę nuo akvariumo laikymo sąlygų: dėl tokio didėlio faktorių komplekso dažnai būna sunku arba neįmanoma nuspėti į kurią pusę persisvers karbonatinė pusiausvyra ir kaip pasikeis vandens cheminė sudėtis.
Taigi, jeigu Jus nusprendete papildomai leisti į savo akvariumą anglies dioksidą, Jums reikės apmastyti padavimo kontrolės būdus. O tam, kad kontroliuoti, reikia, visų pirma, turėti supratimą apie anglies dioksido koncentraciją savo akvariume. Ryšį tarp CO2 koncentracijos, vandenilio H+ jonų koncentracijos ir hidrokarbonato jonų koncentracijos atspindi Henderseno – Haselbacho lygtis. Aš tik paminėsiu, kad visos pH-KH- CO2 lentelės, kurių yra pilnas internetas, yra sukurtos būtent šios lygties pagalba. Yra tiktai vienas bet - Henderseno – Haselbacho lygties pagalba galima apskaičiuoti bendrą analitinių budu nustatomą CO2 koncentraciją tik tuomet, jeigu akvariumininkas nenaudojo jokių reagentų pH stabilizavimui, o humininių ir kt.organinių rūgščių koncentracija nėra didelė(labai grubiai galima nustatyti pagal akvariumo vandens spalvą – kuo vanduo geltonesnis, tuo daugiau jame yra organikos, tiksliau – kalio permanganato testu). Kadangi akvariume be karbonatinio buferio yra ir kitų, pvz. fosfatų, boratų ir organikos dažniausiai irgi yra nemažai, išeina, kad šių lentelių parodimai nėra tikslūs. O, jeigu Jus naudojate durpinį, alksnio konkorežių ekstraktus ar pH+ ar pH- priemonės, šitomis lentelėmis pasikliauti jau nebegalėsite.
Kitaip paaiškinti karbonatinę pusiausvyrą galima remiantis Le Šatelje dėsniu apie cheminės pusiausvyros poslinkį: Pakeitus vieną iš sąlygų, kurioms esant sistema yra cheminėje pusiausvyroje, pusiausvyra pasislenka ta kryptimi, kuri priešinasi padarytam pakeitimui.
CO2+H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3- <=> 2H+ + CO32-
Kitaip tariant, jeigu pusiausvyrą išmušime "is pusiausvyros", tai ji, pagal Le-Šatelje principą, vyks i tą pusę, kad mažintu musu padaryta poveikį. Trumpai sakant, veiks priešingai mūsų pastangoms. Taigi, jeigu mes didiname H+ koncentraciją, reakcija vyksta i kairę pusę ir suriša H+ jonus į HCO3-, o po to į H2CO3 ir taip mazina H+ koncentracija, bet ne visiškai, todel pH letai, bet krinta. Kai hidrokarbonatiniai rezervai baigiasi (prie pH 4.5), H+ koncentracija tiesiogiai priklauso nuo pridėtos rūgšties kiekio.



Iš lentelės matome, kaip priklauso laisvo CO2 koncentracija nuo karbonatinio kietumo ir pH. Taip pat pagal pH ir KH apytikriai galime spręsti apie CO2 koncentraciją. Žalia spalva pažymėtas optimalus CO2 lygis prie tam tikro KH. Jei koncentracija yra mažesnė, augalai negauna pakankamai maisto, o jei didesne – didėja žuvų apsinuodijimo tikimybė, ir ko didesnė koncentracija, tuo didesnė tikimybė. Man asmeniškai labiau patinka ši lentelė:



Raudona spalva pažimėtos pH vertės, kai CO2 koncentracija jau yra pavojinga žuvims. Jeigu jūsų akvariume pH ilgą laiką bus žemesnis, nei nurodytas lentelėje, tuomet staigiai didėja žuvų ligų tikimybė nuo chroniško apsinuodijimo CO2. Žalia spalva pažimėtos pH vertės, kai CO2 dar vos vos užtenka daugumai augalų. Paskutinėje eilutėje matome vandens, kuris yra pusiausvyroje su atmosfera pH. Kai reguliuojate savo įrangos CO2 padavimą, Jums reiktu stengtis nustatyti pH maždaug per viduri tarp žalio ir raudono, todėl, kad paros bėgije pH svyruoja, į vakarą šiek tiek pakyla, o per naktį vėl nusileidžia.


Informacijos šaltiniai:
www.vitawater.ru,
www.tropica.com