Хімічні та біологічні перетворення
Діоксид вуглецю у водних екосистемах
Атмосферне повітря містить 0,03 % діоксиду вуглецю за об’ємом, або 0,047 % за масою. Основним джерелом зростання концентрації СO2 в атмосфері є гниття рослин, дихання тварин та продукти повного окиснення вуглецю, що надходять у повітря при спалюванні кам’яного вугілля, нафти, газу та інших енергоносіїв.
Діоксид вуглецю є кінцевим продуктом дихального обміну і одночасно вихідним метаболітом гетеротрофних організмів, який використовується автотрофами в процесі фотосинтезу. На відміну від рослин, у яких метаболічні механізми спрямовані на перенесення і тканинну утилізацію найбільшої кількості СО2 з навколишнього середовища, у тварин, навпаки, сформувались ефективні фізіологічні механізми його видалення з тканин, що дихають, та виведення з організму.
Основними джерелами надходження діоксиду вуглецю у водне середовище є його інвазія з атмосфери, дихання гідробіонтів, виділення із солей вугільної кислоти внаслідок хімічних реакцій та процесів гниття органічних речовин. Коефіцієнт розчинності С02 у воді вищий, ніж кисню. Він становить при нульовій температурі 1,713 (для кисню цей показник 0,049).
Між атмосферою і водним середовищем відбувається постійний обмін діоксидом вуглецю, який пов’язаний з урівноваженням парціального тиску в системі атмосфера-вода. У зв’язку з цим при зростанні концентрації СO2 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. Як в прісних, так і в морських водах розчинність СO2 значно перевищує рівень розчинності кисню. При цьому насиченість ним солоної морської води менша, ніж прісної.
Вміст СO2 в континентальних водоймах може коливатись у дуже широких межах. Так, у дніпровських водосховищах після стабілізації гідрохімічного режиму в залежності від сезону року, біологічних і хімічних процесів, що відбуваються у товщі води і донних відкладеннях, його концентрація може коливатись від 0 до 55-60 мг/дм3. Найбільш високий його вміст – в період льодоставу.
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 вміст СO2 у воді коливається протягом доби, що пов’язано з більшою фотосинтетичною активністю рослинних організмів, зокрема планктонних водоростей, у 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:
Н2O + CO2 = Н2СO3
Як двохосновна кислота, Н2СO3 може утворювати два види солей: середні вуглекислі (карбонати) з аніоном СO32- та кислі вуглекислі, або гідрокарбонати НСО3-.
Кількісні співвідношення окремих форм вугільної кислоти (Н2СО3, HCO3-, CO32-) у воді обумовлюють величину рН.
У відповідності із законом діючих мас можна розрахувати кількісні співвідношення окремих форм діоксиду вуглецю та його сполук при різних значеннях рН.
Стабільність рН природних вод обумовлена наявністю НСO3- і СО32-. За відсутності або низьких концентрацій цих іонів рН води при насиченні СО2 зміщується у кислу сторону. Сума різних форм вугільної кислоти (СО2, Н2СО3, НСО3- і СО32-) складає карбонатну систему. Поряд з вуглекислотою та її похідними вона включає іони водню, кальцію, магнію та інші розчинені речовини.
Наявність карбонатів у природних водах обумовлена реакціями розчинення карбонатних порід та хімічного вивітрювання алюмосилікатів.
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 СО32-. Насичення води карбонатом кальцію при цьому зменшується, а сам СаСО3 розчиняється. І, навпаки, при зниженні вмісту СО2 (коли підвищується рН) зростає концентрація СО32-, внаслідок чого солі (переважно карбонат кальцію) випадають в осад і 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 позначаються на гідробіонтах.
Концентрація вільного діоксиду вуглецю може перевищувати концентрацію його збалансованих сполук з гідрокарбонатними іонами. Про це свідчить зрушення 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.